Открыт ранее неизвестный тип оптических сингулярностей

Физики из России, Китая, Австрии и Великобритании открыли ранее неизвестный вид оптических сингулярностей - так называемые исключительные связанные состояния в континууме - чье существование считалось в прошлом невозможным. Этот феномен можно применять для создания сверхчувствительных детекторов и оптических транзисторов, сообщила пресс-служба Университета ИТМО.

"По словам исследователей, предсказанные резонансные состояния открывают совершенно новые возможности для создания высокоточных оптических сенсоров. Например, это открытие можно использовать в диэлектрических метаповерхностях - в том числе для детектирования вирусов или белков с точностью вплоть до одной молекулы", - говорится в сообщении.

Как объясняют доцент Университета ИТМО (Санкт-Петербург) Андрей Богданов и исследователи, в последние годы физики со всего мира активно разрабатывают различные сенсоры, поглотители излучения, лазеры и оптические переключатели, основанные на базе так называемой неэрмитовой фотоники. Так ученые называют особые оптические среды, поведение которых можно описать при помощи математических методов, разработанных в рамках квантовой теории.

Отличительной особенностью этих сред является то, что в них могут возникать так называемые исключительные точки. Так ученые называют особые области пространства, где спонтанным образом нарушается баланс между поглощением и усилением излучения. В результате этого поведение системы кардинально меняется, и она начинает необычно сильно реагировать на внешние возмущения, чем можно пользоваться при разработке различных детекторов и оптических аналогов транзисторов.

Основа для новой оптики

Подобному практическому применению исключительных точек пока мешает то, что они являются частью открытой оптической системы, значительная часть энергии которой постоянно уходит во внешнюю среду в виде излучения. Физики выяснили, что этот недостаток можно ликвидировать, если создать такую форму исключительных точек, которая является сингулярностью и состоит из двух так называемых связанных состояний в континууме. Так физики называют особые состояния, которые не излучают энергию даже в открытых оптических системах.

"Раньше ученые думали, что объединить связанные состояния в континууме невозможно, потому что для этого нужно было выполнить одновременно два противоречащих условия. Первое - чтобы система не теряла энергию, а второе - чтобы потери все же оставались. Мы учли, что энергия может не только излучаться во внешнее пространство, но и поглощаться самим материалом. Это простое допущение полностью переворачивает картину и позволяет объединить два связанных состояния в континууме в одну исключительную точку", - пояснил Богданов, чьи слова приводит пресс-служба вуза.

Как отмечается в сообщении, сейчас физики изготавливают прототипы подобных структур для проведения совместных опытов с коллегами из Харбинского инженерного университета (КНР). Успешное завершение этих опытов откроет дорогу для создания энергоэффективных нелинейных компонентов для интегральной фотоники, а также высокоточных оптических сенсоров, способных взаимодействовать с тончайшими биологическими образцами.