Учёные из Миссурийского научно-технического университета (США) предсказали существование нового класса щелевых волноводов, которые генерируют поперечную оптическую силу, которая в 100–1 000 раз больше, чем у стандартных кремниевых щелевых волноводов.

Физики Цзе Гао и Сяо Дун Ян смоделировали свойства наномасштабных щелевых волноводов в метаматериалах, представленных слоями металл — диэлектрик. При этом удалось выяснить, что использование двух взаимодействующих щелевых волноводов размерами 30×40 нм приводит к возникновению поперечной оптической силы, на два–три порядка большей того, что когда-либо регистрировалось для существующих волноводов.

По мнению исследователей, нет никаких практических препятствий для экспериментального достижения таких значений.

Рис. 1. Схема смоделированного метаматериала на основе серебра и германия. По расчётам, он способен создавать поперечную оптическую силу, в 100 раз бóльшую, нежели обычные щелевые волноводы. (Здесь и ниже иллюстрации Jie Gao et al).

Напомним: поперечной оптической силой (transverse optical force) называют обнаруженное в 2008–2009 гг. свойство лучей света притягивать и отталкивать друг друга, в котором ось воздействия силы перпендикулярна направлению луча. Она не наблюдается в макромасштабах, однако в наноприборах размером с транзистор такая сила, к примеру, может быть использована для переключения состояний устройств оптической электроники.

Рис. 2. Уровни поперечной оптической силы, достигаемые смоделированным щелевым волноводом при различных условиях.

Подобные материалы, считают авторы работы, могут найти применение не только в очередном аналоге оптических пинцетов, но и при создании медицинских микромеханических устройств, в сенсорах или оптических компьютерах, а также в качестве наноактуаторов (исполнительных устройств) в микроэлектромеханических системах (МЭМС).

Смоделированный метаматериал «состоял» из серебра (металл) и германия (диэлектрик), размещённых в «слоистой» структуре. Два построенных из него щелевых волновода должны иметь между собой небольшой воздушный зазор. При одновременной работе они создают оптическую силу, перпендикулярную направлению передаваемых ими лучей.

В ближайшее время физики, вооружившись сканирующим электронным микроскопом с фокусированным ионным пучком, намерены экспериментально проверить способность такого рода метаматериала производить «гигантские» оптические силы.

Соответствующее исследование опубликовано в изданиях Optics Express и Journal of the Optical Society of America.