Новости

22 июня, 2022 13:08

Физики «научили» частицы рассеивать свет в форме гантели

Физики определили условия, в которых шарообразные частицы начинают рассеивать свет преимущественно в двух боковых направлениях, в результате чего диаграмма рассеяния по форме становится похожей на гантель. Оказалось, что для этого нужно подействовать микроволнами на сфероидные диэлектрические частицы с большим показателем преломления. Предложенный подход поможет разработать высокочувствительные наноантенны и лазеры, а также детекторы пылевых зерен в космосе. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Scientific Reports.
(a) Модель сфероидной частицы, на которую падает линейно поляризованная плоская волна. (b) Экспериментальный образец керамической сфероидной частицы в безэховой камере. Источник: Bukharin et al. / Scientific Reports, 2022
Схема излучения электрического диполя и магнитного квадруполя и общая схема излучения. Источник: Bukharin et al. / Scientific Reports, 2022
3 / 4
(a) Модель сфероидной частицы, на которую падает линейно поляризованная плоская волна. (b) Экспериментальный образец керамической сфероидной частицы в безэховой камере. Источник: Bukharin et al. / Scientific Reports, 2022
Схема излучения электрического диполя и магнитного квадруполя и общая схема излучения. Источник: Bukharin et al. / Scientific Reports, 2022

Сегодня носители информации и запоминающие устройства создаются не на основе традиционных электронных технологий и механизмов передачи сигналов, а с использованием оптических систем. Так, передача и обработка информации с помощью квантов света (фотонов) позволяет увеличить скорость процесса и хранить больше данных в меньшем объеме носителя по сравнению с микросхемой. Чтобы передавать световые импульсы, ученые все чаще используют шарообразные керамические частицы, поскольку они обладают особыми физическими свойствами — магнитным и электрическим дипольным моментами. Это означает, что частица представляет собой диполь, то есть несет два противоположных заряда (плюс и минус), находящиеся на некотором расстоянии друг от друга. Взаимодействие дипольных моментов приводит к тому, что частицы по-разному рассеивают свет — известно либо рассеяние вперед, либо же рассеяние назад. Оба они осуществляются благодаря эффекту Керкера — явлению, при котором происходит подавление одного из таких рассеяний. Среди важных проблем фотоники — создание направленного рассеяния света, необходимого, например, для производства наноантенн.

Группа исследователей из Национального университета науки и технологий «МИСИС» (Москва), Объединенного института высоких температур РАН (Москва), Университета Восточной Финляндии (Финляндия), Санкт-петербургского государственного университета (Санкт-Петербург), Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения (Санкт-Петербург), Института теоретической и прикладной электродинамики РАН (Москва) и Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (Москва) выявила, что с помощью диэлектрических частиц можно создавать необычные виды рассеяния.

В ходе экспериментов специалисты облучали сфероидные керамические частицы микроволнами. Керамика в качестве материала была выбрана по причине ее чрезвычайно высокой диэлектрической проницаемости, что позволяет использовать интенсивные магнитные резонансы в рассеянии. В качестве альтернативных материалов для такого рассеяния исследователи предлагают использовать кремний (Si) или его диоксид (SiO2). Также ученые считают, что в оптической области спектра сфероидные частицы можно будет заменить цилиндрическими, то есть модифицировать не материал, а форму. Это позволит улучшить качество эксперимента, поскольку сфера не способна давать полный спектр рассеяния в отличие, например, от частицы в форме эллипсоида.

Авторы впервые экспериментально продемонстрировали эффект бокового рассеяния, когда прямое и обратное пренебрежимо малы. В отличие от стандартного эффекта Керкера, обусловленного интерференцией (наложением) дипольных составляющих электрического и магнитного компонентов рассеянного света, эффект бокового рассеяния связан с интерференцией электрического диполя и магнитного квадруполя (по сути совокупности двух диполей). Экспериментальные результаты хорошо согласуются с математическими расчетами.

«Управление рассеянием микроскопических частиц и наночастиц представляет важную задачу, связанную с разработкой современных оптических устройств. Например, можно создавать невидимость и суперпрозрачность оптических материалов, конструировать новые типы нанолазеров, генерировать магнитные поля, сопоставимые с полями в нейтронных звездах, делать линзы, позволяющие увидеть вирусы в школьном микроскопе, и многое другое», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Борис Лукьянчук, доктор физико-математических наук, профессор кафедры нанофотоники физического факультета МГУ.
22 июня, 2022
Российские ученые улучшили элементы памяти для гибкой электроники, облучив фторированный графен тяжелыми ионами
Благодаря облучению ионами ксенона, исследователи модифицировали фторированный графен: удалили фто...
21 июня, 2022
Тесные взаимоотношения обитателей гиперсоленых озер помогают им сохранить единое стабильное сообщество
Российские ученые определили, что обитатели небольших гиперсоленых озер взаимодействуют между собой ...