Ученые научились управлять наносветом с помощью двухэтапного возбуждения

Международная группа исследователей разработала новый метод эффективного возбуждения и управления сильно ограниченными светоматериальными волнами, известными как гиперболические фононные поляритоны высших порядков. Техника, описанная в журнале Nature Photonics, не только устанавливает новые рекорды качества и расстояния распространения этих волн, но и использует резкую границу для создания псевдодвулучепреломления, сортируя и направляя волны по модам в разные стороны.

В поисках сверхкомпактных световых схем ученые обратились к поляритонам — гибридным модам, образующимся при связывании света с оптически активными возбуждениями материала. Эти квазичастицы могут сжимать свет в пространствах, значительно меньших его естественной длины волны. Однако возбуждение наиболее ограниченных вариантов — поляритонов высших порядков — оставалось сложной задачей, поскольку они требуют значительно большего импульсного усилия.

Команда разработала гениальный двухэтапный процесс возбуждения. Сначала крошечная золотая антенна, освещенная светом, создает фундаментальную моду гиперболического фононного поляритона на гладкой кристаллической пластине MoO₃. Затем эта волна достигает края золотой подложки, где рассеивается и преобразуется в поляритоны высших порядков.

«Рассеяние поляритона нулевого порядка на границе обеспечивает большое усиление импульса, необходимое для возбуждения мод высших порядков», — объясняет профессор Райнер Хилленбранд.

Усиленная эффективность возбуждения в сочетании с сверхгладкой пластиной MoO₃ позволила наблюдать поляритоны высших порядков беспрецедентного качества с рекордным фактором качества ~45.

Новый способ управления наносветом

Наиболее поразительным результатом стало явление, которое команда называет «псевдодвулучепреломлением». На резкой границе золото-воздух различные моды поляритонов пространственно разделяются, сохраняя свою поляризацию. Фундаментальные и высшие моды изгибаются под разными углами, заставляя их распространяться в совершенно разных направлениях.

«Мы эффективно создали регулятор движения для света в наномасштабе», — говорит профессор Цин Дай. «Эта способность сортировать различные порядки гиперболических поляритонов является новым инструментом для проектирования сверхкомпактных фотонных схем».

Этот мощный эффект сортировки мод может быть использован для мультиплексирования с разделением по модам, что позволит передавать несколько независимых потоков данных по одному нановолноводу, значительно увеличивая пропускную способность обработки информации.

ИИ: Это фундаментальное исследование открывает новые возможности для создания нанофотонных устройств, которые могут революционизировать области высокоскоростной обработки сигналов и сверхчувствительного химического обнаружения. В 2025 году такие разработки особенно актуальны для развития квантовых вычислений и сенсорных технологий.