Исследователи из Сколковского Института Науки и Технологий, Массачусетского Технологического Института и Йельского Университета определили фундаментальные пределы оптического отклика в поглощающих системах.
Совместная теоретическая работа была посвящена исследованиям так называемых «сред с потерями», в роли которых могут выступать материалы, содержащие металлические наночастицы. Практический интерес к таким материалам связан с перспективами, создания на их основе оптических переключателей с ультракоротким временным откликом, а также оптических ограничителей интенсивного лазерного излучения. Однако, потери внутри материала, как правило, гасят оптический отклик. Исследовательские группы из Сколтеха, Массачусетского Института и Йельского университета получили фундаментальные пределы оптического отклика для поглощающих систем (рисунок 1). Оптический отклик это параметр который важен при анализе эффективности оптического преобразования в материале или среде.
Профессор Сколтеха Атанасиос Полимеридис, его коллеги Оуэн Миллер и Гомер Рейд – постдоки в Массачусетском Институте, Чиа Вей Тсу – постдок в Йельском университете, Брендан Деласи – исследователь Химико-Биологического цента, Джон Джоаннополос и Мартин Сольясис – профессора физики в Массачусетском Институте, а также Стивен Джонсон – профессор математики в Массачусетском Институте опубликовали их научные результаты в журнале Optics Express.
Основным результатом работы стал расчёт пределов оптического отклика систем, вне зависимости от ее геометрии, с помощью основных принципов сохранения энергии. Известно, что важной характеристикой излучения является функция локальной плотности электромагнитных состояний (local density of states, LDOS), которая является главной величиной, определяющей динамику излучения в структурированной среде. В работе были приведены расчеты для некоторых структур; однако, было продемонстрировано также, что общеизвестные границы далеки от полученных излучающих границ локальной плотности состояний, что предполагает возможность дальнейшего значительного усовершенствования существующих оптических систем. Авторы также произвели оценку такого параметра для материала с заданной восприимчивостью, как коэффициент оптического усиления, который позволяет провести полную технологическую оценку материалов с потерями на различных оптических частотах.
Стоит отметить, что профессор Полимеридис уже долгое время занимается расчетом фундаментальных оптических систем. Ключевое различие между этой работой и ранее опубликованными им работами в том, что в ней авторы находят пределы на широком диапазоне длин волн, таком, что полученные границы относятся к любой структуре любого масштаба и размера. Дополнительное преимущество предложенного авторами упрощенного подхода состоит в том, что теперь оптические отклики можно объединить как для анизотропных, так и магнитных, и/или неоднородных сред. Таким образом, теоретический подход, представленный в работе, обеспечивает осуществление более легкого расчета на различных оптических частотах, вне зависимости от заданного дизайна.
Ссылка на публикацию: https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-24-4-3329
Рис.1. Расчет оптических параметров для (a) золота и (b) арсенида индия, легированного кремнием. В работе были промоделированы сечения поглощения (синим) и рассеивания (красным) в единицу объема для наночастиц, освещенных плоскими волнами, поляризованными вдоль оси вращения частиц. Эллиптические соотношения сторон могут варьироваться для приближения как к максимальным сечениям поглощения, так и к максимальным сечениям рассеивания (черным). Размеры наночастиц оптимизированы для трех представленных длин волн в видимых для золота (радиусы не меньше, чем 5 нм) и в более длинных инфракрасных длинах волн для легированного InAs. В процессе, описываемом пунктирными линиями в (a), рассеивающие частицы приняты таким образом, что их показатели рассеивания и поглощения равны.
*
Сколковский институт науки и технологий (Сколтех) – негосударственное научно-образовательное учреждение в Сколково (Россия, Московская область). Созданный в 2011 году при участии Массачусетского технологического института (МТИ), институт готовит новые поколения исследователей и предпринимателей, развивает научные знания и содействует технологическим инновациям с целью решения важнейших проблем, стоящих перед Россией и миром в новом тысячелетии. Сколтех строит свою работу, опираясь на опыт лучших российских и международных образовательных и исследовательских институтов. При этом особый акцент делается на преподавание навыков предпринимательской и инновационной деятельности.
Контакты:
Skoltech Communications
+7 (495) 280 14 81
