Коллектив ученых под руководством профессора Юрия Раковича в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ» впервые разработал настраиваемый микрорезонатор для создания гибридных энергетических состояний между светом и материей, позволяющий управлять химическими и биологическими свойствами молекул с помощью света. Результаты исследования опубликованы в престижном научном журналеReview of Scientific Instruments. Статья включена в число особо выдающихся («Editor's Pick»).
Разработанный микрорезонатор – это ловушка для света, представленная в виде двух зеркал, расположенных друг от друга на расстоянии в несколько сотен нанометров. Когда квант света попадает в эту ловушку, он формирует локализованное состояние электромагнитной волны. Изменяя форму и размер резонатора, можно управлять пространственным распределением электромагнитной волны и временем жизни фотона в резонаторе.
Новая разработка позволяет управлять химическими и биологическими свойствами молекул с помощью света. Практическое значение исследования во многом определяется уникальностью разработанной конструкции. На основе созданного микрорезонатора можно создавать приборы нового поколения для использования в био- и химическом сенсинге, управления скоростью химических реакций и эффективностью переноса энергии.
Высокая оценка прибора объясняется новизной, эффективностью и универсальностью его конструкции, а также уникальностью свойств микрорезонатора для проведения исследований.
Резонансное взаимодействие между квантовыми излучателями и локализованным электромагнитным полем интересно, прежде всего, благодаря возможности управлять свойствами гибридных состояний "свет–вещество". В таких системах свет и вещество формируют некое промежуточное состояние с измененными свойствами. Причем этими свойствами гибридных состояний можно управлять с помощью оптического излучения (света). Один из способов получения таких состояний – помещение излучающих или поглощающих молекул в резонатор.
По словам ученых, представленная конструкция настраиваемого микрорезонатора существенно упростит и расширит такие исследования, позволив изучать взаимодействия света с веществом в режимах как сильной, так и слабой связи для образцов практически любого вещества в спектральном диапазоне от УФ- до ИК-излучения.
«Прибор представляет собой микрорезонатор Фабри–Перо (λ/2), состоящий из плоского и выпуклого зеркал, которые обеспечивают плоско-параллельность по крайней мере в одной точке на поверхности последнего, минимизируя объем моды. Это "ловушка" для света, изготовленная в виде двух зеркал, расположенных друг от друга на расстояние меньше длины волны света»,
– рассказал ведущий учёный Лаборатории гибридных фотонных наноматериалов НИЯУ МИФИ, профессор Юрий Ракович.
Когда квант света попадает в эту ловушку или излучается источником света внутри резонатора, он начинает активно "метаться", многократно отражаясь от зеркал. За счет этого удается осуществить связь фотонов и собственных энергетических состояний микрорезонатора.
«Изменяя форму и размер резонатора, а также коэффициенты отражения зеркал, можно управлять свойствами света и эффективностью такой "ловушки"», – сообщил Юрий Ракович.
Разработанный микрорезонатор удобен в обращении, а его устройство достаточно просто, чтобы наладить его промышленное производство. Микрорезонатор может использоваться не только для создания приборов для управления скоростью химических реакций, но также для разработки высокоэффективных источников света и новых лазерных устройств с низким порогом генерации управления.
«Использование этого прибора откроет новые возможности для изучения влияния эффектов сильной и слабой связи на комбинационное рассеяние, скорость химических реакций, электропроводность, лазерную генерацию, безызлучательный перенос энергии и другие физические, химические и биологические функции. Это будет также значительным шагом к разработке разнообразных практических приложений эффекта связи "свет–вещество", прежде всего для модификации физических, химических и биологических процессов», –
рассказал научный сотрудник лаборатории Дмитрий Довженко.