Открыто новое поведение света в гипсе

Схематическое изображение возбуждения и измерения фононных поляритонов методом s-SNOM (сверху) и топологического перехода сдвиговых фононных поляритонов в гипсе (снизу). Автор: University of Manchester

Новое исследование, опубликованное в журнале Science Advances учёными из Национального института графена Манчестерского университета и Университета Овьедо, выявило ранее неизвестное поведение света в гипсе — минерале, более известном как материал для строительных смесей и мела.

Команда обнаружила редкий тип волн, называемых сдвиговыми фононными поляритонами, в двумерной форме этого материала. Фононные поляритоны представляют собой гибридные волны света и вещества, возникающие при взаимодействии света с атомными колебаниями в определённых кристаллах. Они могут распространяться через материалы необычными способами и концентрировать свет в чрезвычайно малых объёмах.

В данном исследовании учёные обнаружили, что в тонких плёнках гипса эти волны претерпевают топологический переход, меняя своё поведение с гиперболического на эллиптическое, проходя через уникальное канализированное состояние.

Этот переход позволяет учёным настраивать распространение света через материал.

«Исследования сдвиговых фононных поляритонов в предыдущих работах ограничивались объёмными кристаллами в гиперболическом режиме. В нашем исследовании мы стремились дополнить эти первоначальные выводы изучением сдвиговых поляритонов в двумерном материале», — пояснил доктор Пабло Диас Нуньес, соавтор исследования.

«И что удивительно, мы обнаружили, что сдвиговые фононные поляритоны в гипсе демонстрируют топологический переход от гиперболического к эллиптическому распространению с канализацией между ними».

Доктор Диас Нуньес добавил: «Более того, нам удалось ограничить свет в пространстве, в двадцать пять раз меньшем его длины волны, и замедлить его до доли скорости в вакууме. Это открывает новые возможности для манипулирования светом в наномасштабе».

Исследование также подчёркивает роль кристаллической симметрии. Гипс относится к классу материалов с низкой симметрией, а именно к моноклинной кристаллической системе, что приводит к асимметричному распространению света и потере энергии — ключевым характеристикам сдвиговых поляритонов.

Эти выводы выходят за рамки фундаментальных исследований распространения фононных поляритонов и могут способствовать будущим разработкам в областях, требующих точного управления светом, таких как терморегулирование, сенсорика и визуализация за пределами возможностей традиционной оптики. Более того, исследование представляет гипс как новую платформу для изучения передовых фотонных концепций в таких перспективных областях, как неэрмитова фотоника.

Дополнительная информация: Pablo Díaz-Núñez et al, Visualization of topological shear polaritons in gypsum thin films, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adw3452

Источник: University of Manchester