Британские физики с помощью численных расчетов показали, что учет относительной фазы между электрической и магнитной компонентами волны, падающей на рассеивающее дипольное устройство, приводит к неожиданным эффектам. В частности, связывая эти фазы определенным образом, ученые получили «двуликий диполь», который гасит падающие на него волны при одной ориентации, но усиливает их при изменении ориентации на противоположную. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Нанофотоника изучает взаимодействие света с объектами нанометрового размера — излучателями и рассеивателями (scatterer), которые объединены в систему или работают по отдельности. Обычно в качестве излучателей выступают атомы и квантовые точки, а в качестве рассеивателей — диэлектрические наночастицы, на которых возникает электрический и магнитный резонансы. С помощью подобных нанометровых приборов можно построить качественные трехмерные голограммы и разработать металинзы, которые значительно превосходят обычные линзы по простоте изготовления и силе увеличения, а потому понимание их работы очень важно для практических приложений. 

Обычно рассеивание света на нанометровом приборе описывают в дипольном приближении. В этом случае частицу представляют в виде суммы электрического и магнитного диполей, которые взаимодействуют с электромагнитным излучением по отдельности, и рассматривают изменение амплитуды электрического и магнитного поля, пренебрегая их относительной фазой. Простейшим примером такого прибора является антенна Гюйгенса (Huygens antenna) — комбинация электрического (p) и магнитного (m) диполей, моменты которых колеблются в перпендикулярных направлениях и связаны соотношением p = m/c, где c — скорость света (условие Керкера). Излучение антенны Гюйгенса направленно в очень узком диапазоне углов и не имеет обратно отраженных волн благодаря интерференции между магнитодипольным и электродипольным излучением, что делает ее очень удобным источником. Иногда антенну Гюйгенса называют диполем Гюйгенса, подразумевая ее дипольную природу.

В этой статье физики Микела Пикарди (Michela Picardi), Анатолий Заяц (Anatoly Zayats) и Франсиско Родригес-Фортуньо (Francisco Rodríguez-Fortuño) обобщили рассмотрение нанометровых приборов, включив в него фазы электрического и магнитного полей электромагнитной волны. Оказалось, что если заставить фазу колебаний электрического диполя отставать на 90 градусов от фазы колебаний магнитного диполя, можно получить устройство, которое полностью гасит падающие на него волны при одной ориентации, но усиливает их при изменении ориентации на противоположную. По аналогии с диполем Гюйгенса ученые назвали такое устройство «двуликим диполем Януса» (two-face Janus dipole).

Чтобы показать, что «двуликий диполь» действительно обладает такими необычными свойствами, ученые вычислили вероятности его возбуждения с помощью «золотого правила Ферми», а также смоделировали с помощью программы Comsol Multiphysics поле диполя, помещенного над волноводом с возбужденной p-поляризованной модой. Оказалось, что в том случае, когда направление падающей волны совпадает с «лицевой стороной» диполя (то есть с вектором S̅ = m̅×p̅), излучение волны усиливается, и поле расходится по всему волноводу. В противоположном же случае оно полностью гасится. Таким образом, получается, что распространением поля в волноводе можно управлять, изменяя ориентацию диполя.

Действительная часть электромагнитного поля при взаимодействии p-поляризованной моды волновода (область, ограниченная жирными черными линиями) с излучателем, у которого дипольный или магнитный момент периодически вращался (a), антенной Гюйгенса (b) и «двуликим диполем» разной ориентации (c, d). M. Picardi et al. / Phys. Rev. Lett.

Также ученые рассмотрели антенну Гюйгенса и излучатели, в которых дипольный электрический или магнитный моменты вращались в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Во всех этих случаях устройства начинали излучать в направлении, противоположном направлению падающей волны, и гасили ее излучение, так что поле было отлично от нуля только по одну сторону от диполей.

Наконец, исследователи смоделировали систему, в которой «двуликий диполь» был зажат между двумя металлическими волноводами. Оказалось, что в такой системе можно выбирать, в какой из волноводов будет направлено излучение диполя, контролируя его ориентацию. В то же время, в случае антенны Гюйгенса и вращающихся диполей излучение всегда направлялось в оба волновода одновременно.

Модуль электрического поля в случае излучателя, у которого дипольный или магнитный момент периодически вращался (a), антенны Гюйгенса (b) или «двуликого диполя» ©, зажатого между двумя волноводами (отмечены черными жирными линиями). M. Picardi et al. / Phys. Rev. Lett.

Авторы статьи считают, что предложенная ими схема «двуликого диполя» может быть легко реализована с помощью диэлектрических наночастиц и будет использоваться в квантовой оптике, нанофотонике, при разработке поляриметров и других приборов, связанных с измерением характеристик электромагнитных волн.

В прошлом месяце мы писали, как исследователи из ИТМО заставили наноантенны излучать в диапазоне от 530 до 770 нанометров, совмещая в одной частице источник излучения и резонатор. А в декабре 2016 года ученые из Австралийского национального университета использовали такие наноантенны, чтобы преобразовать инфракрасный свет в видимый.

Дмитрий Трунин