Ученые ИТМО, Чжэцзянского университета и Физико-технического института имени А.Ф.Иоффе РАН создали метаповерхность, которая с почти 100% точностью разделяет направления закрученности поляризованных волн света. В перспективе конструкция может стать точнейшим детектором для распознавания некоторых веществ, например, молекул сахара, ДНК или левомицетина.
Искусственное покрытие отражает закрученный в левую сторону свет и пропускает свет, закрученный вправо. Толщина структуры — несколько сотен нанометров, поэтому ее можно использовать даже в самых высокотехнологичных электронных устройствах. Разработка ускорит процесс проведения медицинских анализов, упростит задачу детектирования «спиралевидных» молекул, по типу ДНК, а также откроет новые возможности перед физиками-экспериментаторами.
Свет — это электромагнитные волны. Иными словами, колебания электрического и магнитного полей, у каждого из которых есть свое направление. Как изменяется это направление, обуславливает поляризация — физическое свойство, которое определяет вектор ориентации световой волны в пространстве. Если сравнить свет с волнами воды, то поляризация в этом случае будет показателем направления изменения ее уровня.
Выделяют два основных «типа» поляризации: линейную и циркулярную. При линейной поляризации направление электрического поля меняется вдоль линии. Такая поляризация широко используется, например, в очках для водителей или горнолыжников. Циркулярная же поляризация характеризуется закрученностью электрического поля по спирали — по часовой стрелке или против. Она играет ключевую роль в процессах взаимодействия света с другим веществом. Например, молекулами ДНК, сахаром и такими препаратами, как левомицетин или ибупрофен. По форме они тоже напоминают спираль, поэтому активно взаимодействуют со светом циркулярной поляризации. Для распознавания подобных молекул с помощью волн света с циркулярной поляризацией обычно и используют метаповерхности, элементы которых повторяют «траекторию» закрученности света.
Хотя подобные структуры существуют давно, их создание остается сложной технологической задачей. Однако физикам ИТМО удалось найти решение этой проблемы. Они разработали наноструктуру, которая разделяет правостороннюю и левостороннюю циркулярную поляризацию почти со 100% точностью. Еще одно преимущество разработки — доступная технология изготовления.
В основе конструкции — кремниевые наночастицы в форме эллипсов, расположенные на пластине стекла. Каждая частичка поддерживает резонансы, то есть может задержать свет. От расположения наночастиц на пластине зависит, каким образом они взаимодействуют со светом. Частички также усиливают резонансный эффект друг друга. В идеальном случае они формируют совершенный резонатор, в котором возникают так называемые связанные состояния в континууме. В этом особом состоянии частицы могут удержать энергию света внутри структуры бесконечно долго.
«Наночастицы поддерживают два типа резонансов: электрический и магнитный дипольный. Они соответствуют колебаниям электрического и магнитного полей света. При правильном размещении наночастиц мы можем сделать так, чтобы эти резонансы соотносились с левосторонней или правосторонней циркулярной поляризацией света. Однако использование лишь одного из резонансов не позволяет достичь 100% селективности при отличии поляризаций. Мы же смогли совместить два типа резонансов при помощи отражения от стекла, на котором расположены наночастицы. В результате оба типа резонансов усиливают друг друга, и структура становится идеальным зеркалом для одной циркулярной поляризации и идеально прозрачной для второй. Другими словами, одна из поляризаций задерживается на метаповерхности, а другая отражается от нее», — отмечает один из разработчиков проекта, доктор физико-математических наук, профессор физического факультета ИТМО Михаил Рыбин.
Способность метаповерхности удерживать свет одной из циркулярных поляризаций позволяет ускорить и процессы его взаимодействия с расположенными рядом «спиралевидными» молекулами. А изменения интенсивности отражения света в наноструктуре будет сигнализировать о наличии этих частиц в исследуемой субстанции. Поэтому конструкция может стать точнейшим детектором для распознавания некоторых веществ. Например, тех же молекул сахара, ДНК или левомицетина.
Разработка ученых может быть использована для увеличения скорости получения результатов химических и биологических анализов и повышения качества телекоммуникаций. Она также открывает новые возможности для проведения экспериментов при работе с закрученными частицами, такими как электроны.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Laser & Photonics Reviews.
Фото: ru.freepik.com