Создать сверхчувствительный сенсор, уменьшить размеры оптических приборов и разработать оптический компьютер — все это невозможно без связанных состояний в континууме. Что скрывается за этим загадочным термином, почему ученые называют его исключением и какие проекты в этом направлении ведутся в ИТМО, рассказывает Зарина Кондратенко, младший научный сотрудник физического факультета.

В ИТМО работают ведущие специалисты в области связанных состояний в континууме (ССК): их работа по этой теме входит в топ 1% самых цитируемых статей в мире по физике. Задали вопросы одному из авторов, чтобы разобраться, что такое ССК и чем они так интересны ученым.

Что такое связанные состояния в континууме?

Связанное состояние ученые определяют как «запертую» или локализованную внутри резонатора энергию. ССК наблюдают в оптике, квантовой механике, акустике и других областях физики. Резонатором в акустике, например, может быть органная труба или корпус гитары, то есть любое полое тело, похожее на сосуд и которое воспроизводит звуки определенной высоты и усиливает их.

Континуум — это набор состояний (волн), напротив, свободно распространяющихся вне резонатора. Казалось бы, как эти два определения могут объединяться в одно? Как может быть заперто то, что по определению свободно?

Связанные состояния в континууме — исключение, которое доказывает, что такое возможно. Под ССК понимают особое состояние резонатора с неограниченно высокой добротностью. Это свойство и позволяет удерживать энергию внутри системы, не давая ей «убегать» наружу. 

Как их открыли?

В 1929 году физики Джон фон Нейман и Юджин Вигнер решили уравнение для квантовой ямы с необычной формой — синусообразной вместо привычной константы. Такая форма позволила получить новое решение — ССК.

Квантовая яма — это в своем роде ловушка для квантовых частиц (например, электронов), у которых недостаточно энергии, чтобы выбраться из этой ямы. Аналог квантовой ямы в оптике — оптоволоконный кабель для интернета или светящаяся оптоволоконная лампа.

Тогда новость не произвела большого эффекта, и работу ученых восприняли как математическую задачу, не имеющую отношения к реальным физическим объектам. Попытки предложить физическую систему для ССК были предприняты в 1970-х годах, но до экспериментов дело не дошло.

Первую демонстрацию ССК в оптике провели в 2011 году ученые из Йенского университета Фридриха Шиллера в Германии и израильского технологического института Технион. С этого момента ССК стали активно изучать в оптике.

Еще позже, в 2022 году, исследователям ИТМО удалось опровергнуть теорему о несуществовании неизлучающих состояний в компактных открытых системах. Согласно этому закону, колебания в открытых резонаторах должны затухать, излучая энергию в окружающее пространство. Однако физикам удалось рассчитать формы акустических резонаторов, для которых эта теорема нарушается. В найденных системах энергия колебаний не излучается, а остается внутри.

Как работают ССК? 

Сегодня получить ССК позволяют резонаторы определенных геометрических форм, в том числе метаповерхности. Самый распространенный пример системы для ССК — дифракционная решетка — оптическая поверхность с большим количеством штрихов (щелей/выступов).

Связанные состояния в континууме довольно чувствительны к изменению параметров метаповерхности — например, периоду и толщине структуры, форме мета-атома. Это свойство позволяет с высокой точностью настраивать параметры ССК, например, длину волны резонанса.

С помощью такой «тонкой» настройки свет можно передать на разных длинах волн. Короткие длины волн (1310 нм и 1550 нм) используются для передачи данных, а длинные (1490 нм и 1625 нм) — для телекоммуникаций.

Также во всех материалах есть поглощение электромагнитной энергии. Оно зависит от длины волны и может быть ничтожно маленьким, в том числе нулевым. Чтобы совсем его исключить, можно настроить ССК на подходящую длину волны.

Почему связанные состояния континуума интересны ученым?

Связанные состояния в континууме — одна из наиболее перспективных платформ для управления светом и усиления его взаимодействия с веществом. Из-за своей высокой добротности ССК позволяют увеличивать интенсивность падающего излучения в миллионы раз.

Эти свойства можно использовать как для создания оптических коммуникаций будущего, так и миниатюрных оптических приборов, помещающихся на оптической интегральной схеме (элементы, собранные на одной пластинке): сверхчувствительных биологических и химических сенсоров, эффективных нанолазеров, оптических интегральных чипов для оптических компьютеров.

Как исследуют связанные состояния в континууме в ИТМО?

Ученые физического факультета ищут новые фотонные структуры, поддерживающие ССК. В перспективе они откроют новые возможности для построения резонансных систем и позволят снизить технологические требования к изготовлению оптических устройств. 

Кроме того, физики изучают влияние на ССК структурного беспорядка (нарушений в расположении элементов), размера метаповерхности и других дефектов, возникающих при производстве экспериментальных образцов. Разработка миниатюрных фотонных структур со ССК, устойчивых к изменениям, позволит создать более компактные плоские сенсоры, низкопороговые лазеры (с пониженным порогом лазерной генерации) и нелинейные оптические элементы.

Также ученые ИТМО уже используют свои наработки по ССК для разработки новых устройств. Так, в 2021 году команда ученых из Нового физтеха, Центра нелинейной физики Австралийского национального университета и Университета Корё разработала компактный нанолазер на основе фотонно-кристаллического волновода с высокими показателями эффективности. Для генерации излучения в нанолазере использовали связанные состояния в континууме.