Физики из Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, НГУ, НГТУ, Самарского государственного аэрокосмического университета (СГАУ) и Института систем обработки изображений (ИСОИ) РАН первыми в мире получили бездифракционные закрученные бесселевы пучки в терагерцевом диапазоне и впервые использовали их для формирования поверхностных электромагнитных волн на поверхности металла. В результате трансформации закрученного пучка в поверхностные волны было обнаружено новое явление. Статья, написанная на основе исследования, стала выбором редакции одного из самых авторитетных журналов по физике Physical Review Letters.
Ученые из Новосибирска и Самары первыми в мире получили бездифракционные закрученные бесселевы пучки в терагерцевом диапазоне и впервые использовали их для формирования поверхностных электромагнитных волн (поверхностных плазмонов). Неожиданно для себя исследователи обнаружили новое явление — при трансформации закрученного пучка в поверхностные волны последние возникали только с одной стороны от оптической оси и «переключались» на другую сторону при изменении направления его вращения.
По словам одного из авторов статьи Generation of terahertz surface plasmon polaritons using non-diffractive Bessel beams with orbital angular momentum, профессора кафедры общей физики, заведующего Лабораторией прикладной электродинамики ФФ НГУ и главного научного сотрудника ИЯФ СО РАН Бориса Князева, совместная работа физиков из Новосибирска и Самары относится к области оптики и информационных технологий, результаты ее могут быть использованы во многих приложениях. Бездифракционные пучки, в частности, могут применяться для передачи информации и создания локационных систем в дальнем инфракрасном диапазоне.
Описанное в статье явление «переключения» поверхностной волны может использоваться в качестве нового типа ключа в системах интегральной оптики и, возможно, не только в терагерцевом диапазоне.
Исследование проводилось на Новосибирском лазере на свободных электронах, созданном и работающем в ИЯФ СО РАН, — самом мощном источнике терагерцевого излучения (в диапазоне от 1012 до 1013 Гц) в мире. Оптические дифракционные элементы были созданы в СГАУ.
Терагерцевое излучение — вид электромагнитного излучения, спектр которого находится в диапазоне 1011–1013 Гц, между видимым (оптическим) излучением и радиодиапазоном. Длина волны в терагерцевом диапазоне составляет 30–3000 мкм (3×10-5–3×10-3 м)
— Терагерцевое излучение до недавнего времени было мало изучено, так как практически не существовало источников и приемников волн этого типа. Благодаря созданию лазера на свободных электронах, которое генерирует очень мощное терагерцевое излучение и обладает уникальной возможностью перестройки длины волны в широких пределах, ученые из разных институтов и университетов, в том числе зарубежных, могут проводить уникальные эксперименты, — отмечает Борис Князев.
По словам Бориса Князева, в статье Generation of terahertz surface plasmon polaritons using non-diffractive Bessel beams with orbital angular momentum описаны результаты двух взаимосвязанных исследований. Во-первых, группе исследователей удалось создать бездифракционные закрученные фотонные пучки в терагерцевом диапазоне:
— Обычный свет имеет такие характеристики, как интенсивность, длина волны и поляризация. Но у света есть еще одна характеристика — «закрученность», или, если быть точным, орбитальный угловой момент. Пучок света имеет не только «направленное» движение, он еще может вращаться. Для того чтобы создать необходимые для изучения закрученности условия, в СГАУ были созданы специальные дифракционные оптические элементы. Такой пучок имеет большую энергию вращения, которая может быть использована, например, для закручивания различных частиц, что было реализовано ранее в видимом и инфракрасном диапазонах.
Величина орбитального углового момента характеризуется некоторой целой величиной со знаком плюс или минус, называемой топологическим зарядом (вращение имеет квантовую природу). Максимальный топологический заряд, равный 300, был недавно экспериментально получен в оптическом диапазоне. Исследователи из ИЯФ СО РАН и НГУ использовали пучки с топологическим зарядом 1 и 2. Борис Князев отмечает, что комбинация пучков с разными топологическими зарядами может применяться для многоканальной передачи данных.
Изображения бездифракционных пучков с различными топологическими зарядами
Закрученные пучки физики получают с середины 1990-х в оптическом диапазоне, радиодиапазоне и диапазоне рентгеновского излучения. Ученые из ИЯФ СО РАН и НГУ впервые получили закрученные бездифракционные, или бесселевы пучки в терагерцевом диапазоне:
— Обычно пучок света после фокусировки линзой сразу расходится. Мы получили бесселев пучок, центральное кольцо которого после прохождения через линзу некоторое время не теряет энергию. В терагерцевом диапазоне экспериментов, подобных нашему, еще не проводилось. Использование бездифракционных пучков — один из способов исследования толстых слоев вещества, так как их свойства позволяют глубоко просвечивать среду, — поясняет Борис Князев.
Вторая часть исследования касается изучения характеристик плазмон-поляритонов, или поверхностных электромагнитных волн.
Поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ) — направленное электромагнитное излучение, локализованное вблизи поверхности раздела двух сред и распространяющееся вдоль этой поверхности. Их другое название — поверхностные плазмон-поляритоны
Плазмон-поляритоны являются комбинацией колебаний электронов внутри металлов и связанной с ними электромагнитной волны. Эти волны используются для создания биочипов, исследования характеристик молекул и в других приложениях.
Ученые из ИЯФ СО РАН и НГУ после получения закрученных пучков решили проверить, как будут вести себя поверхностные плазмоны, созданные этими фотонными пучками. Результаты эксперимента оказались для исследователей неожиданными:
— Мы не ожидали ничего особенного. Пучки состоят из колец, сильного центрального и более слабых боковых. Предполагалось, что если мы направим пучок симметрично на край образца, то на местах пересечения пучка и металла появятся два сильных и два боковых плазмона, однако, они появились только на одной стороне образца. Мы заставили крутиться пучок в другую сторону, и плазмоны появились на другой стороне.
Борис Князев отмечает, что исследователи дали некоторое феноменологическое объяснение физическому явлению. Следующий шаг — параметрические исследования и попытки детально разобраться в механизме этого явления. К участию в этой работе уже привлечены студенты НГУ и НГТУ.
Коллектив авторов статьи Generation of terahertz surface plasmon polaritons using non-diffractive Bessel beams with orbital angular momentum:
- профессор кафедры общей физики ФФ НГУ, главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН Борис Князев
- младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, ассистент кафедры общей физики Юлия Чопорова
- старший лаборант ИЯФ СО РАН, магистрант НГТУ Михаил Митьков
- доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой наноинженерии СГАУ, главный научный сотрудник ИСОИ РАН Владимир Павельев
- заместитель директора НОЦ нанотехнологий СГАУ Борис Володкин
Анастасия Аникина
