От Pohang University of Science and Technology
Свет может поглощаться или отражаться от поверхности материала в зависимости от свойств вещества или изменять свою форму и преобразовываться в тепловую энергию. Достигая поверхности металлического материала, свет также имеет тенденцию отдавать энергию электронам внутри металла — широкий спектр явлений, которые мы называем «оптическими потерями».
Производство сверхмалых оптических элементов, использующих свет, затруднено, поскольку меньший размер оптического компонента приводит к большим оптическим потерям. Однако в последние годы к исследованиям в области оптики была применена неэрмитова теория, которая использует оптические потери совершенно по-другому. Новые открытия в физике делаются путем принятия неэрмитовой теории, которая охватывает оптические потери, исследуя способы использования этого явления, в отличие от общей физики, где оптические потери воспринимаются как несовершенный компонент оптической системы. «Скрытое благословение» — это то, что поначалу кажется катастрофой, но в конечном счете приводит к удаче. Эта исследовательская история — скрытое благословение в физике.
Профессор Джунсук Ро (факультеты машиностроения и химической инженерии) из POSTECH и кандидаты наук Хонен Чжон и Сокву Ким (машиностроение) из POSTECH, а также проф. Юнмин Лю (Yongmin Liu) из Северо-Восточного университета (NEU) в Бостоне и их совместная исследовательская группа смогли управлять направлением световых лучей, используя неэрмитовы системы метарешеток. Статья была опубликована в журнале Science Advances.
Когда свет падает на металлическую поверхность, электроны в металле коллективно колеблются как единое тело вместе со световой волной. Это явление называется поверхностным плазмонным поляритоном или SPP. «Решетчатый соединитель» широко используется в качестве вспомогательного устройства для управления направлениями SPPS. Эффективность устройства ограничена тем, что оно преобразует падающий под прямым углом свет в SPP в непреднамеренных направлениях.
Исследовательская группа применила неэрмитову теорию, чтобы преодолеть этот недостаток. Для начала команда вычислила теоретическую исключительную точку, вблизи которой происходит определенная оптическая потеря. Затем они подтвердили его эффективность с помощью экспериментов, используя специально разработанный ими неэрмитовый соединитель с метарешеткой. Мета-решетчатый соединитель доказал свою эффективность в обеспечении однонаправленного управления SSPS, что было практически невозможно с другими решетчатыми соединителями. Они также могли бы заставить свет и SPP распространяться в противоположных направлениях, контролируя размер и расстояние между метарешетками. Исследовательская группа смогла добиться преобразования падающего света в SSPS обратно в обычный свет, используя то же самое устройство с метарешеткой.
Результаты исследования могут быть полезны при исследовании квантовых сенсоров в различных областях, таких как обнаружение антигенов для диагностики заболеваний или вредных газов в атмосфере, что в сочетании с инженерными разработками может открыть двери для широкого спектра применений. Профессор Джунсук Ро, возглавлявший команду, сказал: «Это исследование вывело неэрмитову оптику на наноуровень. Это внесет вклад в разработку будущих плазмонных устройств, обладающих превосходной управляемостью направлением и производительностью».
More information: Yihao Xu et al, Subwavelength control of light transport at the exceptional point by non-Hermitian metagratings, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf3510
Provided by Pohang University of Science and Technology