Forskare från Lomonosov Moscow State University, tillsammans med sina ryska och utländska kollegor, har uppnått de första direkta mätningarna av gigantiska elektromagnetiska fält som uppstår i dielektriska partiklar med högt brytningsindex vid spridning av elektromagnetiska vågor. Forskarna har presenterat sina projektresultat i Vetenskapliga rapporter .

Miniatyrisering av grundläggande element inom elektronik kräver nya tillvägagångssätt. Det har därför blivit mycket viktigt att skapa intensiva elektromagnetiska fält koncentrerade till minsta möjliga volym. Forskare från Lomonosov Moscow State University i samarbete med ett internationellt team genomförde de första direkta mätningarna av ett gigantiskt resonansfält exciterat inuti en dielektrisk partikel med subvåglängd vid spridningen av en plan elektromagnetisk våg och gav den fullständiga kvantitativt teoretiska förklaringen av den observerade effekten.

Fysikern Michael Tribelsky, den ledande författaren, säger, "I teorin, denna effekt har varit känd. I detta fall, spridningspartikeln fungerar som en tratt, samla in infallande strålning från ett stort område och koncentrera den i en liten volym inom partikeln. Dock, det finns många svårigheter på vägen till praktiskt förverkligande. Metalliska nanopartiklar var de första kandidaterna för sådana "fältkoncentratorer". Tyvärr, de har lurat förväntningarna. Poängen är att metaller har höga dissipativa förluster i det mest intressanta applikationsområdet för synliga ljusfrekvenser för de infallande vågorna. Förlusten leder till betydande energiförluster, bortkastade för fruktlös (och ofta skadlig) uppvärmning av nanopartikeln, och minskar resonansförstärkningen av det elektromagnetiska fältet. I så fall, det skulle vara naturligt att vända sig till dielektriska partiklar. Tyvärr, det är inte så enkelt att hantera dem."

Om en partikel inte har ett högt brytningsindex, resonanseffekterna är svaga. När det gäller partiklar med högt index, vars storlek är mindre än den infallande strålningens våglängd, den vanliga uppfattningen var att det elektromagnetiska fältet knappast trängde in i en sådan partikel. Dock, det visar sig att vid vissa frekvenser av den infallande strålningen, fallet är precis tvärtom. Nämligen, fältet tränger inte bara in i partikeln, men dess höga koncentration kan observeras. På sätt och vis, effekten är analog med bågen av en sving på grund av svaga men vältajmade knuffar.

"Vårt huvudresultat är att som vi förstår det, vi är de första som uppnår det direkta experimentella beviset på effekten och mäter profilerna för de exciterade fälten, " säger Michael Tribelsky.

Svårigheterna med motsvarande mätningar vid optiska frekvenser är relaterade till nödvändigheten av att mäta fält inom en nanopartikel, och den rumsliga upplösningen av mätningarna måste vara i storleksordningen nanometer. Forskarna modellerade spridningen av ljus av en nanopartikel med hjälp av identisk spridning av radiovågor av en centimeterstor partikel. För att kunna flytta en sond inuti partikeln, flytande dielektrikum (vanligt destillerat vatten som hålls vid en viss fast temperatur) hällt i en transparent för den infallande radiovågsbehållaren har använts.

Prestationen ligger på själva gränsen för moderna studier av subvåglängdsoptik (nämligen optik som hanterar föremål vars skalor är mindre än våglängden för den infallande strålningen). Dessa fenomen har tillämpningar inklusive medicin (diagnos och behandling av sjukdomar, inklusive cancer; riktad drogtillförsel och andra), biologi (olika sensorer och markörer), telekommunikation (nanoantenner) och system för informationsregistrering och -lagring och andra sfärer. Den skulle också kunna användas för att skapa revolutionerande nya optiska datorer där information inte överförs genom elektriska pulser utan av ljuspaket.

Forskaren säger, "I ett brett perspektiv, vårt projekt kan initiera skapandet av ett nytt landskap för design och tillverkning av superminiatyr nanoenheter och metamaterial – nämligen material som är artificiellt formade och strukturerade på ett speciellt sätt för att ha ovanliga elektromagnetiska egenskaper."