Ett forskargrupp från ITMO University och Australian National University har upptäckt att olika metasytor uppvisar samma beteende förutsatt att en symmetribrytning introduceras i deras enhetsceller "meta-atomer". Asymmetri av meta-atomer resulterar i högkvalitativa (höga Q) resonanser i transmittansspektra för metasytor. Sådana resonanser kan multipla förstärkning av externa signaler. Genom att manipulera asymmetrin, forskare kunde kontrollera resonanserna och därmed ett optiskt svar, vilket är mycket önskvärt för praktiska tillämpningar. Resultaten av denna forskning publicerades i Fysiska granskningsbrev .

Kvalitetsfaktor (den så kallade Q-faktorn) är en av de viktigaste egenskaperna hos ett resonanssystem. Det bestämmer effektiviteten av ljus-materia interaktion och förstärkning av externa signaler. Det visar hur väl strukturen kan fånga ljus. När provet minskar i storlek, särskilt i tjocklek, dess kvalitetsfaktor reduceras också avsevärt, vilket gör den olämplig för praktiska tillämpningar.

I sin nya forskning, ett team av fysiker från ITMO University och Australian National University, ledd av prof. Yuri Kivshar, har avslöjat en ny fysik med hög-Q-resonanser. Forskare fann att de höga Q-skarpa resonanserna bestäms manligt av asymmetri av metatomer, och de är nästan inte beroende av tjockleken på metasytor och typen av material som visar ett universellt beteende för alla typer av sådana metasytor. Därför, metasytor med bruten symmetri kan användas för att skapa tunna (mindre än ljuslängden) och mycket effektiva sensorer, lasrar, och olinjära strålningskällor.

Mer viktigt, forskarna visade att hög-Q-resonanser i asymmetriska metasytor styrs av bundna tillstånd i kontinuumet. De senare är icke -strålande tillstånd som uppträder när flera resonanser i ett system interagerar i regimen för destruktiv störning som undertrycker de strålande förlusterna.

"Vi har studerat bundna tillstånd i kontinuumet i två år som en del av ett projekt som stöds av Russian Science Foundation. Någon gång insåg vi att karaktären hos hög-Q-resonanser i metasytor är relaterad till fysiken hos bundna tillstånd i kontinuum. Det visar sig att genom att införa en asymmetri, vi kan förstöra bundna tillstånd i kontinuum och konvertera dem till hög-Q resonanser. Vi analyserade ett dussin asymmetriska system, finns i olika källor, i detalj och kunde visa att de tidigare beskrivna effekterna orsakades av bundna tillstånd i kontinuumet, säger Dr Andrey Bogdanov, forskare vid International Research Center for Nanophotonics and Metamaterials vid ITMO University.

"Det viktigaste resultatet av vårt arbete är att vi kunde sammanfatta och sammanfatta resultaten från ett stort antal verk från olika områden inom fotonik och radiofysik, som alla bara har två saker gemensamt:strukturen, som är en asymmetrisk metasyta, och arten av observerade fenomen, av skarpa och smala resonanser i spektralrespons. I äldre verk, detta förklarades genom användning av nya termer. Vi, dock, visade att alla fysiska fenomen kan beskrivas via bundna tillstånd i kontinuumet, ett universellt interferentiellt fenomen som är känt för kvantfysiker sedan början av 1900 -talet, ”konstaterar Kirill Koshelev, en anställd vid International Research Center for Nanophotonics and Metamaterials vid ITMO University.

Enligt forskarna, en djupare förståelse av optik för bundna tillstånd i kontinuumet kan hjälpa till att förenkla processen att skapa material med specifikt optiskt svar. I framtida forskning, forskarna planerar att använda resultaten de fått för att analysera olinjära optiska effekter i liknande metasytor.