В России разработали технологию для лазеров будущего

 Если множество одинаковых микроскопических диэлектрических шариков построить в цепочку, ее возможности будут такие же, как у дифракционной решетки. Такая цепочка работает как световод — обеспечивает захват света, который падает на нее под любым углом, и препятствует его утечке в окружающее пространство. Открытие совершили красноярские физики. Подробностями они поделились с Hi-Tech Mail.Ru.

Суть технологии

Идею захвата квантовой частицы как волны математически реализовали еще в 1929 году. Джон фон Нейман и Юджин Вигнер назвали это явление «связанными состояниями в континууме», но тогда в их работу никто не поверил – ее воспринимали как математический курьез. Однако спустя почти век сразу несколько групп ученых обнаружили примеры таких систем, изучая акустику и распространение волн на мелкой воде.

Красноярские физики стали исследовать подобное явление в решетках из стержней. Затем они рассмотрели стержень, созданный из фрагментов и, постоянно экспериментируя, пришли к разработке световода из отдельных шариков.

Когда частица одна, происходит утечка света во все стороны. Но если выстроить частицы в периодическую линию, получается аналог дифракционной решетки, в которой свет рассеивается только в дискретных направлениях.

Алмаз Садреев
Профессор, заведующий сектором теории нелинейных процессов Института физики им Л.В. Киренского СО РАН, доктор физико-математических наук

В таком световоде достаточно просто полностью подавить утечку света из цепочки. Для максимально эффективного захвата света нужно лишь подобрать правильный размер шариков и материал с нужным показателем преломления. Он должен быть достаточно большим, выше 4. Таким параметрам соответствуют, к примеру, кремний или арсенид галлия.

При передаче электроэнергии она «запирается» в металлическом проводе. Аналогично, свет «запирается» в световоде

Профессор Алмаз Садреев отмечает:
Технологически приготовить полупроводниковые шарики очень сложно. Поэтому появилась идея взять периодическую стопку дисков. Наши компьютерные вычисления успешно показали захват света. Более того, оказалось, что показатель преломления материала не обязательно должен быть рекордным, можно брать даже стеклянные диски.
Алмаз Садреев
Профессор, заведующий сектором теории нелинейных процессов Института физики им Л.В. Киренского СО РАН, доктор физико-математических наук

Исследования проводились в рамках проекта, поддержанного Российским научным фондом «Связанные состояния в континууме – интерференционный способ локализации в открытых фотонно-кристаллических, квантовых и акустических системах». Компьютерное моделирование показало, что цепочка из ста шариков уже способна улавливать свет.

Модель и реальность

На компьютерной модели ученые достигли желаемых результатов. В реальности же системы имеют дефекты, которые вызывают флуктуации.

Основная проблема – получить элементы нужного уровня качества
Так, шарики не должны различаться между собой более чем на сотую часть диаметра. Таких технологий производства пока не существует.

К слову, для создания световода не обязательно использовать шарики. До этого ученые экспериментировали с длинными диэлектрическими стержнями. Важно, чтобы размер элементов и расстояние между ними были сопоставимы с длиной волны света – около микрона.

Практическое применение

Явление захвата света можно будет использовать для записи информации на оптические диски, создания высокоэффективных солнечных батарей. Однако пока их построить невозможно ни на шариках, ни на дисках, ни на стержнях. Слишком велики технологические погрешности, из-за которых захваченный свет внутри ловушек будет жить недолго.
Но ученые обращаются к работам, рассматривающим нелинейный эффект Керра полупроводниковых материалов. Он корректирует показатели преломления в системе микрорезонаторов в фотонном кристалле, в результате чего захват света осуществляется самоиндуцированно.
Рассмотрение целого ряда различных систем показало автоподстройку на захват.
Алмаз Садреев
Профессор, заведующий сектором теории нелинейных процессов Института физики им Л.В. Киренского СО РАН, доктор физико-математических наук

Наиболее перспективное направление – создание полностью диэлектрических лазеров
Возможность создания таких систем исследуют не только в Красноярске. Но на работы российских физиков уже ссылаются в статьях специалисты Калифорнийского университета в Сан-Диего – технологию применили для реализации лазирования в периодической структуре. Так что разработка вполне может стать основой лазеров будущего, а также других систем, в которых используется захват волн – световых, звуковых, электромагнитных.