Китайские физики увидели вынужденное излучение терагерцовых поверхностных плазмон-поляритонов, облучая тонкий железный стержень мощным лазером. Это стало возможным благодаря когерентной передаче энергии разогнанными электронами в гибридную моду. В будущем этот эффект ляжет в основу плазмон-поляритонных лазеров.

Исследование опубликовано в Nature.

Идея квазичастиц оказалась крайне полезной при описании некоторых повторяющихся процессов в системах с большим количеством тел, в первую очередь, в конденсированных средах. Квазичастица объединяет в себе сразу несколько элементарных процессов (в этом случае физики говорят о гибридизации), существенно уменьшая нагрузку на описывающую их теорию. Так, коллективным колебаниям атомов в кристаллах соответствуют фононы, а постоянному поглощению, переизлучению и рассеянию света по мере его распространения в среде — поляритоны. Про эти и другие квазичастицы читайте в материале «Зоопарк квазичастиц».

В сложных структурах, однако, порой требуется дальнейшая гибридизация уже существующих квази- или реальных возбуждений. Примером этого можно назвать поверхностный плазмон-поляритон (ППП) — квазичастицу, возникающую на границе метал-диэлектрик и описывающую перманентный обмен энергии между поляритонной модой в диэлектрике и плазмонной модой в металле. Плазмонами называют квазичастицы, соответствующие колебаниям плотности свободных зарядов — электронов и дырок.

ППП интересны физикам своей способностью концентрировать электромагнитную энергию в очень малом объеме (много меньше длины волны), чего не удается сделать в диэлектрике или пустоте из-за дифракционного предела. Это не только делает возможным субволновую фокусировку света для нужд микроскопии и литографии, но и существенно усиливает напряженность электрического поля в приповерхностном слое, что открывает новые режимы взаимодействия света и вещества.

Частоты ППП обычно принадлежат оптическому диапазону. Вместе с тем интерес представляют ППП в терагерцовом диапазоне, где у материалов, как правило, расположены резонансы, связанные с колебаниями и вращениями атомов. Другой интерес к терагерцовой области связан с тем, что для оптических ППП характерно сильное рассеяние, приводящее к разрушению какой-либо когерентности. Ученые считают, что увеличение длины волны способно преодолеть это ограничение и в перспективе привести к созданию ППП-лазеров.

Большой шаг в этом направлении сделали Дун Дун Чжан (Dongdong Zhang) и его коллеги из Шанхайского института оптики и точной механики.