Группа учёных из Сколтеха (входит в группу ВЭБ.РФ) и МФТИ исследовала, как можно с помощью эффекта Казимира точно управлять угловым положением наноструктур. Результаты исследования, проведённого при поддержке РНФ (проект 22-12-00351-П), опубликованы в журнале Physical Review A (Letter).

В 1948 году нидерландский физик Хендрик Казимир предсказал нечто на первый взгляд невозможное: два электрически нейтральных идеальных проводника, помещённых в идеальный вакуум, должны притягиваться друг к другу. Оказалось, что точное значение силы притяжения можно вычислить из анализа флуктуаций вакуума.

Объектом изучения российских исследователей стали одномерные фотонные решётки из анизотропного диэлектрика: параллельные полоски материала, скорость распространения света в котором различается в зависимости от направления и поляризации. Такие фотонно-кристаллические слои сами по себе хорошо изучены. Но учёные взяли систему из двух решёток, повёрнутых друг относительно друга, причём в каждой из них ось анизотропии материала дополнительно повёрнута относительно направления полос. Такой поворот нарушает одну из зеркальных симметрий, что делает подрешётки хиральными в плоскости, а их взаимодействие посредством сил Казимира — нетривиальным. 

Для расчёта взаимодействия двух таких решёток авторы применили метод матриц рассеяния в формализме Казимира—Лифшица — метод, учитывающий реальные оптические свойства материала, его потери, дисперсию и сложную геометрию. 

Результаты оказались интересными. В симметричном случае (ось анизотропии параллельна или перпендикулярна полоскам) энергия пропорциональна косинусу угла: система стремится либо к параллельной, либо к перпендикулярной ориентации — классический результат, уже известный науке. Но как только ось анизотропии отклоняется на некоторый угол, симметрия нарушается, а минимум энергии оказывается при ненулевом угле относительного поворота решёток. 

Оказалось, что этот равновесный угол таков, что оси анизотропии обеих решёток практически параллельны независимо от расстояния между ними.

Последнее обстоятельство принципиально важно: равновесный угол не зависит от зазора между решётками. Это означает, что, как только две хиральные решётки оказались достаточно близко, они «знают», в какое положение им нужно повернуться, и делают это сами, под действием казимировского крутящего момента. Такое свойство делает их кандидатами на роль элементов самосборки в нанофотонике.

Наталья Салахова, младший научный сотрудник Центра инженерной физики Сколтеха и выпускница МФТИ, уточняет: «Ключевой результат в том, что равновесный угол определяется внутренними параметрами материала. Это даёт новую степень свободы при проектировании фотонных наноструктур с заранее заданным поведением».

Илья Фрадкин, научный сотрудник Центра инженерной физики Сколтеха и лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ, так описал значимость работы: «До сих пор крутящий момент Казимира рассматривался как любопытное физическое явление, которое трудно использовать практически — его величина мала, а угловая зависимость слишком проста. Введение хиральности кардинально меняет картину: появляется ненулевой равновесный угол, определяемый свойствами материала. Это даёт возможность проектировать наноструктуры, которые самостоятельно находят нужную ориентацию безо всякого внешнего управления».

По словам соавтора статьи доцента Сергея Дьякова, руководителя исследовательской группы в Центре инженерной физики Сколтеха, практическое применение открытия — в области реконфигурируемой нанофотоники. Оптические компоненты, способные самостоятельно принимать заданное угловое положение без механических приводов, могут использоваться в сверхминиатюрных датчиках, оптических переключателях и квантово-оптических схемах, в которых внешнее механическое воздействие невозможно или нежелательно. 

Как заявил директор группы теоретической нанофотоники Николай Гиппиус, профессор Центра инженерной физики Сколтеха, следующий шаг для исследовательского коллектива — поиск материалов с оптимальной анизотропией для максимального казимировского крутящего момента.