Ett internationellt forskarlag har hittat ett sätt att göra frekvensomvandling av ljus i nanoskala 100 gånger effektivare. Den nya metoden bygger på isolerade dielektriska nanopartiklar som stödjer så kallade bundna tillstånd i kontinuumet. Sådana tillstånd uppstår när strålande fält i partikeln undertrycker varandra, så att den elektromagnetiska energin inuti partikeln kan fångas. Denna förutsägelse kan användas för en ny generation av små frekvensomvandlingsenheter som kallas nanolasrar. Forskningen publicerades i Fysiska granskningsbrev den 19 juli, 2018.

Ett av de viktigaste problemen med olinjär nanofotonik är frekvensomvandlingen av elektromagnetisk strålning på nanoskala. Genom att ändra frekvensen, strålningen kan omvandlas från ett spektralband till ett annat:från terahertz till infrarött, och från infrarött till synligt. Denna transformation kan utföras effektivt av makroskopiska enheter, men det är en utmaning att uppnå frekvensomvandlingen på nanoskala.

Interaktionen mellan nanopartiklar och ljus är ganska speciell på grund av deras mycket lilla storlek. Därför, för att öka effektiviteten av frekvensomvandlingen av ljus på nanoskala, det är nödvändigt att minska energiförlusterna under nyckelprocesserna som sker i nanopartikeln:strålningsinmatning, energiinnehåll, och icke-linjär omvandling.

För att lösa alla dessa problem, ett internationellt team av fysiker från ITMO University, Icke-linjär fysikcentrum vid Australian National University, och universitetet i Brescia i Italien föreslog att man skulle använda nya resonatorer i nanoskala. Dom är, i huvudsak, skivformade dielektriska nanopartiklar med högt brytningsindex som stödjer de så kallade bundna tillstånden i kontinuumet. Sådana tillstånd kan skapas när flera typer av elektromagnetiska energioscillationer i partikeln ömsesidigt undertrycker varandra. På det här sättet, ljusets energi kan "låsas" inuti partikeln.

Matematiskt, energin kan låsas för alltid, förutsatt att resonatorerna är absolut idealiska. I praktiken, det är möjligt att fånga ljus för en ändlig, ändå ganska lång tid, även i en enda nanopartikel. Detta kräver ett optimalt förhållande mellan partikelformen, storlek, och material.

"Även om vi beskrivit sådana märkliga dielektriska nanoresonatorer tidigare, vi har ännu inte analyserat deras praktiska perspektiv. Nu, tillsammans med våra italienska kollegor Dr Luca Carletti och Prof Constantino De Angelis, vi beräknade hur denna resonator genererar ljuset med dubbel frekvens. Resultaten visar att denna struktur hjälper till att öka effektiviteten av de olinjära processerna med två storleksordningar. Dock, det här var inte så lätt, eftersom vi var tvungna att hitta det optimala sättet att pumpa in energin i resonatorn. Vi fick reda på att i vårt fall, den infallande vågen måste polariseras på ett sätt så att den svänger längs tangenten till cirkeln. Detta sammanfaller med strukturen av det elektromagnetiska fältet inuti partikeln, " säger Kirill Koshelev, en medlem av International Metamaterial Laboratory vid ITMO University.

Som ett resultat, forskargruppen lyckades uppnå en rekordhög effektivitet av frekvensfördubbling av ljus med dielektriska nanopartiklar. Nu, istället för en 100:e del av en procent, det är möjligt att spara upp till flera procent av ljusenergin under omvandlingen. Detta resultat banar väg för experimentell detektering av strålning omvandlad av en nanopartikel, vilket innebär att den föreslagna metoden kan användas i praktiska tillämpningar.

"Vi har föreslagit en design av ljusomvandlare i nanoskala som kan användas för olika applikationer. Till exempel, de kan användas i mörkerseende plattoptiska enheter som omvandlar infraröd strålning till synligt ljus. På samma gång, det dielektriska materialet vi valde, aluminium-galliumarsenid, har mogen tillverkningsteknik. Eftersom materialet är allmänt tillgängligt, vi förväntar oss att våra idéer och förutsägelser kommer att driva på ytterligare framsteg inom olinjär nanofotonik och meta-optik, " säger professor Yuri Kivshar, medordförande för Institutionen för nanofotonik och metamaterial vid ITMO-universitetet, även framstående professor vid Australian National University.