Исследователи Aalto демонстрируют, как создавать высококачественные, почти идеальные резонаторы с использованием оптически поглощающих материалов.

У всех оптических резонаторов, от карманных лазерных указок до фотонных квантовых компьютеров, есть одна общая черта: они улавливают и концентрируют фотоны в течение максимально длительного времени.

Оптические резонаторы имеют различные формы. Простейший резонатор может быть изготовлен из пары зеркал, между которыми свет распространяется взад и вперед, отражаясь. Технологически более совершенные резонаторы обычно более компактны и состоят из микроскопических световодных дорожек или наноструктур с многократным периодическим рассеянием.

Независимо от их формы, все резонаторы подвержены потерям, которые снижают их производительность. В случае оптических систем основные потери происходят из-за того, что свет выходит из системы, распространяясь от резонатора (потери на излучение) или поглощаясь материалом и преобразуясь в тепло (потери на поглощение).

В то время как потери на излучение были уменьшены исследователями, использующими деструктивные помехи в явлении, известном как оптическое связанное состояние в континууме, потери на поглощение обычно считались неизбежными в оптических системах, использующих поглощающие материалы, такие как металлы.

Научный сотрудник Академии Университета Аалто Радослав Колковски и старший преподаватель Андрей Шевченко показали, как улучшить оптические резонаторы, чтобы компенсировать потери как на излучение, так и на поглощение.

«Снижая потери как на излучение, так и на поглощение, мы теоретически можем бесконечно удерживать фотоны в замкнутой системе, несмотря на использование поглощающего материала для построения системы», — говорит Колковски.

«Повышение добротности резонанса позволяет нам значительно улучшить взаимодействие света с веществом, что может быть использовано во множестве применений, например, в лазерной технологии, спектроскопии, метрологии и нелинейной оптике».

В статье, опубликованной в журнале Nanophotonics, Колковски смоделировал метаповерхность, состоящую из массива наночастиц золота, подверженных потерям, и плоского волновода, поддерживающего две управляемые моды.

Там он смог создать гибридный резонанс, в котором не было потерь ни на излучение, ни на поглощение. Продемонстрированный механизм подавления потерь универсален и обладает потенциалом радикального улучшения всех видов резонаторов за пределами области оптики.

«Подумайте о любых осцилляторах: маятниках, акустических или сейсмических колебаниях, квантовых возбуждениях. Этот подход может быть применен к любому из них, что может привести к множеству полезных применений и созданию новых устройств», — говорит Шевченко, который также возглавляет исследовательскую группу по оптике и фотонике на факультете прикладной физики.

Хотя теория безупречна, в реальном использовании все еще есть место для неэффективности. Это может быть связано с несовершенством изготовления и конечным размером поглощающих резонансных структур.

Тем не менее, улучшение качества фотонных систем, ставшее очевидным в ходе исследований, прокладывает путь к созданию превосходных устройств с неисчислимыми новыми функциональными возможностями.