Ученые из МФТИ теоретически продемонстрировали новый подход к идеальному поглощению поверхностных плазмонов — локализованных электромагнитных волн, распространяющихся по поверхности металлов. Это большой шаг вперед в конструировании плазмонных устройств для использования их в будущем в оптических линиях передачи информации, в миниатюрных биологических и химических сенсорах и во множестве других устройств. Статья опубликована в одном из старейших научных журналов — Annalen der Physik.
Поверхностные плазмонные поляритоны, также называемые просто плазмонами, — это особые электромагнитные волны, которые могут распространяться вдоль границы металла и воздуха или диэлектрика в оптическом и инфракрасном диапазоне частот. Термин «поверхностный плазмонный поляритон» означает, что волна включает в себя, как движение зарядов (электронный газ) в металлической поверхности («поверхностный плазмон»), так и электромагнитных волн в воздухе или диэлектрике («поляритон»). Такая электромагнитная волна оказывается сильно локализованной в тонком приграничном слое, с толщиной, не превышающей нескольких сотен нанометров (10-7 м). Иными словами, электрическое поле «заперто» в области, размеры которой, в несколько раз меньше длины волны. Это исключительная ситуация, так как существующие ограничения, связанные с дифракцией света, не позволяют локализовать свет в объеме, с размерами существенно меньше длины волны излучения. Из-за подобного характера плазмонов, они находят ряд уникальных применений в микроскопии и биосенсорах. Кроме того, плазмоны являются перспективным канидатом на роль переносчика информации в вычислительных устройствах нового поколения.
«Для гибкой и аккуратной обработки информации, переносимой плазмонными волнами, необходимы различные элементы, выполняющие базовые функции, т.е. способные отражать, фокусировать, разделять и перенаправлять плазмоны. Большое количество таких наноструктур с богатым функционалом было продемонстрировано экспериментально за последнее десятилетие», — прокомментировал нам один из авторов исследования Денис Баранов, — «Вместе с Антоном Игнатовым и Игорем Нечепуренко мы занялись последним важным этапом на пути к полному контролю плазмонов — созданием структуры, способной на 100% поглощать энергию падающих плазмонов».
Разработка подобного идеального поглотителя осложняется фундаментальной проблемой: когда поверхностный плазмон встречает на своем пути любую «преграду», например, в виде поглощащего слоя, часть энергии плазмона рассеивается в окружающее пространство. Таким образом, поглощенной оказывается лишь часть падающей энергии. Более того, рассеянная доля энергии может служить помехой в работе других оптических элементов, расположенных вблизи поглотителя.
Схематичная иллюстрация, поясняющая дизайн устройства для полного поглощения плазмонов. Плазмоны падают с двух сторон на особую поглощающую структуру, образованную слоистым наноматериалом. Изображение предоставлено авторами исследования
Чтобы преодолеть эту трудность, исследователи из МФТИ разработали дизайн особой поглощающей наноструктуры, представяющей собой две соприкасающиеся сильно анизотропные среды – т.е. такие среды, в которых коэффициент преломления зависит от направления распространения света. Эта структура, в свою очередь, интегрирована в традиционный металлический плазмонный волновод (Рис. 1). Именно сильная анизотропия поглощающей структуры позволяет полностью избавиться от нежелательного рассеяния плазмонов.
Когда такая наноструктура освещается поверхностными плазмонами с двух сторон, электрическое поле внутри нее имеет вид стоячей волны (рис. №2(b)), как колеблющаяся струна гитары. При определенных геометрических параметрах системы происходит полное поглощение излучения, рис. №2(a), (b) – 100% энергии плазмонов переходит в тепло внутри анизотропной структуры. Результаты, полученные учеными в ходе моделирования, говорят о возможности уменьшения доли рассеяния плазмонов до 0.1 процента в реалистичной наноструктуре. Согласно модели, количество непоглотившейся энергии можно свести к минимуму, изменяя геометрию наноструктуры, в том числе высоту поглощающего слоя.
(a) Величина энергии плазмонов, не поглощенных наноструктурой, в зависимости от длины поглощающего слоя. Узкий провал соответствует идеальному поглощению. (b,c,d) Распределение электрического поля внутри поглотителя при различных условиях возбуждения падающими плазмонами. Изображение предоставлено авторами исследования
Крайне интересным стало то наблюдение, что при изменении относительной фазы двух падающих на систему плазмонов можно переключить систему из поглощающей в непоглощающую! Оказалось, что структура, становится практически прозрачной для падающей плазмонной волны, если разность фаз между двумя плазмонами отличается от требуемой для полного поглощения. Таким образом, можно управлять прохождением одного плазмона через структуру, контролируя фазу другого.
Многообразие возможных применений поверхностных плазмонных поляритонов в технике делает результаты исследований Дениса Баранова и его коллег актуальными и востребованными в настоящее время. Ученые полагают, что полученные результаты могут внести важный вклад в разработку интегрированных нанофотонных систем.
