Физики смогли получить новый тип искусственно искривленного луча, который они назвали «фотонным крючком». Ранее науке был известен лишь один тип искривленного луча — пучки Эйри. Полученный «крючок» может использоваться в микроскопии для получения изображений в очень большом разрешении, а также в качестве манипулятора для наночастиц. Последние результаты исследований ученых Томского политехнического университета вместе с российскими и иностранными коллегами были опубликованы в журналах Optics Letters и Scientific Reports.

У задачи рассеяния света на диэлектрических частицах длинная история. Аналитические выражения для рассеяния получил Густав Ми в 1908 году. Его теория предсказывает наличие двух внутренних фокусов внутри диэлектрической частицы. В 2004 году американские ученые опубликовали работу, в которой показали, что при определенных значениях размера частицы и показателя преломления внутренний фокус на теневой поверхности частицы сдвигается на ее границу. В этой области образуется сильно локализованное электромагнитное поле. Этот эффект они назвали «фотонной струей». У этой струи характерный поперечный размер — меньше дифракционного предела. Поэтому ее можно использовать для того, чтобы получить сверхразрешение.

Также известны криволинейные пучки, так называемые пучки Эйри. В них свет распространяется по параболе. Однако, как отмечают ученые, получать эти пучки и использовать, в том числе в микроскопах, достаточно сложно.

«Фотонный крючок» на схематической иллюстрации. Alina Karabchevsky/Angeleene S. Ang/ Ben-Gurion University

«Ранее считалось, что других типов искривленных лучей, кроме пучков Эйри, не существует. Нам удалось получить новый тип криволинейного пучка света, также мы запатентовали принцип его создания на основе фотонной струи от диэлектрических частиц с нарушенной симметрией. В нашей статье в Optics Letters мы описали свойства «фотонного крючка», — объясняет профессор отделения электронной инженерии ТПУ Игорь Минин. — Для создания луча в экспериментах использовали кубические частицы с пристыкованной призмой. Когда излучение падает на торец частицы, на гранях и внутри частицы происходит дифракция. За счет разницы фазовых скоростей внутри и вблизи граней формируется сходящий волновой фронт, он фокусируется на выходе из частицы. А поскольку одна грань скошена, то волны между собой интерферируют, и область локализации получается кривой».

В статье для Scientific Reports ученые рассмотрели интересное применение фотонного крючка — он позволяет перемещать наночастицы под действием давления света, огибать барьер, переносить их через него.

«Это перспективное применение для биологии, медицины, создания новых материалов, где необходимо управлять клетками», — отмечает Игорь Минин.