Электромагнитное излучение с разными длинами волн окружает нас. Свет, радио, электричество, сотовая связь — все это примеры электромагнитных волн. Исторически человек решал задачу передачи электромагнитных волн из точки А в точку Б. Для передачи электричества мы используем провода. В этом случае электромагнитное излучение «заперто» в проводе. Для передачи радиосигналов на длинных волнах человек использует ионосферу Земли. Радиоволна оказывается запертой между поверхностью планеты и верхними слоями атмосферы и, многократно отражаясь, передается на большие расстояния. Для передачи света были придуманы световоды — диэлектрические нити с оптически прозрачной сердцевиной и отражающей оболочкой.
Но можно ли не просто передавать, а еще и захватывать падающий на поверхность свет? Представьте себе, что вы посветили фонариком на диэлектрическую пластину, и свет не отразился, а попал внутрь пластины. И находится там какое-то время, до тех пор, пока вы не решили его куда-то передать или выпустить наружу. Создание материалов с такими свойствами не простая задача. Красноярские физики в рамках проекта Российского научного фонда исследуют возможность «поимки» света в открытых оптических системах.
Для поимки света используется хорошо известное явление интерференции. Если бросить в воду два камня, то волны при встрече могут как усиливать друг друга, так и гасить. Все зависит от того, совпадают их пики при встрече или находятся в противофазе. В случае световой волны проблема с поимкой состоит в том, что волна одна, но ее нужно каким-то образом сначала разделить, а потом заставить встречаться саму с собой нужным образом в нужном месте. Тогда она не сможет выйти за пределы ограниченного нами пространства. Сначала физики использовали решетки диэлектрических стержней в качестве ловушки для света. Когда свет падает на один стержень — он рассеивается во всех направлениях. Регулярная цепочка стержней является дифракционной решеткой, поэтому рассеивание света происходит лишь в избранные направления, что облегчает задачу локализации (поимки) света.
«Оставалась задача блокировать распространение света в этих направлениях, но мы подумали, а зачем нам решетка из стержней? Давайте вернемся к одному стержню, но сделаем его из кусочков,» — рассказывает доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией теории нелинейных процессов Федерального исследовательского центра Красноярский научный центр СО РАН (ФИЦ КНЦ СО РАН) Алмаз Садреев, — довольно быстро мы пришли к идее диэлектрических шариков. Нитка из таких шариков будет улавливать и запирать свет. Если мы говорим про видимый свет, то примерный размер шарика для такой конструкции микрон. Все шарики должны быть идентичны и выстроены в линию. Свет, падающий на один шарик, рассеивается во все стороны. Для системы из двух шариков — часть света начнет блуждать между шариками, но опять рассеется. Мы провели достаточно большое количество расчетов и показали, что цепочки из ста шариков уже способна поймать свет.»
Теоретические расчеты изначально проводились для бесконечного количества идентичных шариков. Понятно, что на практике ни первое, ни второе условие не может быть реализовано. Когда в расчеты ввели флуктуации радиуса сфер, оказалось, что не обязательно вести речь про бесконечное количество. В этом случае эффект неоднородности важнее, чем эффект ограниченного числа шариков. Строго говоря, если шарики различаются между собой не больше чем на одну сотую диаметра, то нитки из ста шариков уже более чем достаточно для возникновения эффекта поимки света.
«Представьте себе, что у вас есть дырявая водопроводная труба. Вы плеснули воду на трубу. Вода через дырки как в трубу попадает, так и вытекает. Но вот волна с определенной длиной, которая попала в трубу, будет распространяться лишь внутри трубы. Обычный световод — это целая труба. Чтобы свет попал в нее — необходимо соединить ее с источником света. Сколько на эту трубу не свети снаружи — свет туда сам не попадет. Мы рассматриваем возможность создания «дырчатых световодов». Цепочка идентичных шариков нужного размера, выстроенных в идеальную линию будет аналогом такой трубой. Между шариками даже может быть пространство, не обязательно их упаковывать плотно. Стоит посветить цепочку, свет уже не покидает ее, до тех пор, пока мы не разорвем цепочку или не произведем с ней какие-нибудь манипуляции, например, нагреем,» — наглядно поясняет результаты исследования доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ФИЦ КНЦ СО РАН, профессор Сибирского государственного аэрокосмического университета Евгений Булгаков.
В настоящее время подобные эффекты рассматриваются, как основа для разработки устройств по захвату волн самой разной длины и разной природы. Чем длиннее волна, тем больше диаметр шарика. Теоретически можно создавать улавливающие конструкции для звуковых, электромагнитных и квантовых. Но нужно помнить, что сферы должны быть максимально идентичными. Если для крупных размеров, производство идентичных шариков относительно простая задача, то с уменьшением размера сложность возрастает.
Ученые Стэндфордского университета предлагают использовать силиконовые сферы для захвата света и повышения эффективности солнечных батарей. Фото: http://peakgeek.com/2012/02/light-trapping-nanoshells/
После первых публикаций по теме захвата света, которые вышли несколько лет назад, начался подъем исследований. В лидерах — США, Китай, Корея. Там уже проводят и теоретические расчеты, и первые эксперименты. На вычисления красноярских физиков активно ссылаются. Работами красноярцев заинтересовалась также группа коллег из Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики. Ученые надеются, что теория и практика ловушек для света скоро встретятся и в России, что принесет новые результаты.
