Een onderzoeksteam van de ITMO University en de Australian National University heeft ontdekt dat verschillende meta-oppervlakken hetzelfde gedrag vertonen, op voorwaarde dat een symmetriebreking wordt geïntroduceerd in hun eenheidscellen "meta-atomen". Asymmetrie van meta-atomen resulteert in hoogwaardige (hoge Q) resonanties in de transmissiespectra van meta-oppervlakken. Dergelijke resonanties zijn in staat tot meervoudige versterking van externe signalen. Door de asymmetrie te manipuleren, wetenschappers waren in staat om de resonanties en dus een optische respons te beheersen, wat zeer wenselijk is voor praktische toepassingen. De resultaten van dit onderzoek zijn gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Kwaliteitsfactor (de zogenaamde Q-factor) is een van de belangrijkste kenmerken van een resonantiesysteem. Het bepaalt de effectiviteit van licht-materie interactie en versterking van externe signalen. Het laat zien hoe goed de structuur licht kan opvangen. Wanneer het monster kleiner wordt, vooral in dikte, de kwaliteitsfactor wordt ook aanzienlijk verminderd, waardoor het ongeschikt is voor praktische toepassingen.

In hun nieuwe onderzoek een team van natuurkundigen van de ITMO University en de Australian National University, onder leiding van prof. Yuri Kivshar, heeft een nieuwe fysica van hoge-Q-resonanties onthuld. Wetenschappers ontdekten dat de hoge-Q scherpe resonanties mannelijk worden bepaald door asymmetrie van meta-atomen, en ze zijn bijna niet afhankelijk van de dikte van meta-oppervlakken en het type materiaal dat een universeel gedrag vertoont voor alle soorten van dergelijke meta-oppervlakken. Daarom, meta-oppervlakken met gebroken symmetrie kunnen worden gebruikt om dunne (minder dan de lengte van het licht) en zeer efficiënte sensoren te maken, lasers, en niet-lineaire stralingsbronnen.

Belangrijker, de onderzoekers bewezen dat hoge-Q-resonanties in asymmetrische meta-oppervlakken worden bepaald door gebonden toestanden in het continuüm. De laatste zijn niet-stralingstoestanden die optreden wanneer verschillende resonanties in een systeem interageren in het regime van destructieve interferentie die de stralingsverliezen onderdrukt.

"We bestuderen al twee jaar gebonden toestanden in het continuüm als onderdeel van een project ondersteund door de Russian Science Foundation. Op een gegeven moment realiseerden we ons dat de aard van hoge-Q-resonanties in meta-oppervlakken gerelateerd is aan de fysica van gebonden toestanden van de continuüm. Het blijkt dat, door een asymmetrie in te voeren, we kunnen gebonden toestanden in het continuüm vernietigen en ze omzetten in resonanties met hoge Q. We analyseerden een tiental asymmetrische systemen, gevonden in verschillende bronnen, gedetailleerd en konden aantonen dat de eerder beschreven effecten werden veroorzaakt door gebonden toestanden in het continuüm, " zegt Dr. Andrey Bogdanov, een research fellow bij het International Research Centre for Nanophotonics and Metamaterials aan de ITMO University.

"Het belangrijkste resultaat van ons werk is dat we de resultaten van een groot aantal werken uit verschillende gebieden van fotonica en radiofysica hebben kunnen aggregeren en samenvatten, die allemaal maar twee dingen gemeen hebben:de structuur, wat een asymmetrisch meta-oppervlak is, en de aard van waargenomen verschijnselen, die van scherpe en smalle resonanties in spectrale respons. In oudere werken dit werd verklaard door het gebruik van nieuwe termen. We, echter, toonde aan dat alle fysieke verschijnselen kunnen worden beschreven via gebonden toestanden in het continuüm, een universeel interfererend fenomeen dat bekend is bij kwantumfysici sinds het begin van de 20e eeuw, " merkt de heer Kirill Koshelev op, een staflid van het International Research Centre for Nanophotonics and Metamaterials aan de ITMO University.

Volgens de onderzoekers is een dieper begrip van optica van gebonden toestanden in het continuüm kan helpen bij het vereenvoudigen van het proces van het maken van materialen met een specifieke optische respons. In toekomstig onderzoek, de wetenschappers zijn van plan de verkregen resultaten te gebruiken om niet-lineaire optische effecten in vergelijkbare meta-oppervlakken te analyseren.