Учёные Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН» и Сибирского федерального университета вместе с коллегами из Тайваня впервые в мире экспериментально реализовали так называемые связанные состояния в континууме в одномерных слоистых структурах, возникающие из-за точной деструктивной интерференции света с различными поляризациями. Исследование открывает путь к созданию высокодобротных управляемых устройств фотоники и спинтроники. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications Physics.

Огромное количество наблюдаемых нами физических явлений связано с волнами: акустическими, электромагнитными, квантово-механическими электронными волнами вероятности и другими. Несмотря на принципиальные различия, в поведении разных волн можно найти общие закономерности. Одно из таких интригующих явлений — связанное состояние в континууме — было предсказано еще в 1929 году физиками Нейманом и Вигнером для электронных волн в квантовой механике. Это явление связано с деструктивной интерференцией или способностью проходящих и отраженных волн гасить друг друга.

Чтобы лучше понять, что такое деструктивная интерференция, можно представить две волны на поверхности воды, проходящие друг через друга. Если в одной и той же точке совпадут гребень первой волны и ложбина второй, то водная поверхность будет выглядеть невозмущенной. В случае квантовой частицы, деструктивная интерференция проходящих и отраженных волн запирает её в точке пространства, хотя энергии частицы достаточно, чтобы уйти из зоны притяжения.

В силу сложности математического описания, связанные состояния в континууме долго рассматривались как экзотика, привлекавшая внимание лишь теоретиков. В 1985 году немецкие теоретики Фридрих и Винтген предложили простую модель открытой квантовой системы, описывающую запирание квантовой частицы за счет деструктивной интерференции двух резонансов. Эта модель послужила основой для работы в 2008 году красноярских физиков Булгакова и Садреева о локализации света в двумерном фотонном кристалле, которая спустя три года получила экспериментальное подтверждение. Эти работы дали начало потоку статей о связанном состоянии в континууме для двумерных и трехмерных фотонных кристаллов. В то же время считалось, что в одномерных слоистых структурах такое явление невозможно.

Коллектив ученых из Красноярск и Тайваня опроверг это представление. Исследователи Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН» и Сибирского федерального университета показали теоретическую возможность существования связанного состояния в континууме в одномерных слоистых структурах. Для этого физики предложили новую модель, которая состоит всего из трех слоев. При прохождении электронной волны через центральный слой, в котором магнитное поле повернуто относительно двух крайних слоёв, она расщепляется на две. При выходе в третий слой эти волны накладываются и гасят друг друга, таким образом, электрон запирается и остаётся в трехслойной структуре.

Экспериментальная проверка теоретических построений оказалась не простым делом. Для работы с электронами необходимо создавать полупроводниковые структуры высокого качества, прикладывать магнитное поле на очень малых масштабах и охлаждать электроны в сверхнизких температурах. Так как связанное состояние в континууме общеволновое явление, учёные решили создать аналогичную систему для световых волн. Ученые из Тайваня в рамках совместного международного проекта на основе теоретических расчетов и модели красноярских физиков изготовили трехслойную фотонную структуру и провели необходимые измерения.

Оптический аналог крайних областей с одинаково направленным магнитным полем – одномерные фотонные кристаллы. Аналог центрального слоя с повернутым магнитным полем – жидкий кристалл с повернутой оптической осью. Жидкий кристалл является анизотропным веществом, т.е. имеет разные оптические свойства в разных направлениях. Аналогично задаче для электрона, при наклонном падении света из фотонного кристалла на жидкий кристалл, световая волна расщепляется на две, деструктивно интерферирующие при выходе во второй фотонный кристалл. Таким образом, свет запирается в дефектном слое, хотя его частота вполне достаточна, чтобы покинуть кристалл.

«Мы впервые реализовали связанные состояния в континууме в одномерных слоистых средах для оптических волн. Нам удалось экспериментально показать, что можно управлять добротностью такой системы. Добротность - это характеристика колебательной системы, которая показывает, как быстро система теряет запасенную энергию. Световая энергия не может выйти из связанного состояния в континууме, поэтому его добротность ограничена только неустранимыми потерями в самих материалах. Механически поворачивая оптическую ось жидкого кристалла, мы увеличивали или уменьшали добротность, приближаясь или отдаляясь от условий реализации связанного состояния в континууме. Жидкий кристалл очень чувствителен к внешним воздействиям, поэтому дальнейшее направление исследований – это демонстрация управления добротностью с помощью температуры или внешнего электрического поля. Предложенные в работе модели открывают путь к созданию управляемых устройств спинтроники и фотоники», – рассказал один из авторов работы, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Института физики им. Л. В. Киренского Красноярского научного центра СО РАН Павел Панкин.

Исследование поддержано Российским фондом фундаментальных исследований (гранты№19-52-52006и 19-02-00055).