Ученые Инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности предложили новый способ формирования фотонных крючков, свойства которых могут меняться во времени. Для этого исследователи использовали каплю воды, которая формирует их при замерзании и освещении ее лазерным излучением. Данный метод создания фотонных крючков является недорогим, компактным, простым и экологичным. Он может стать основой для разработки устройств «зеленой» электроники, основанной на природных материалах.
Результаты работы ученых опубликованы в журнале Scientific reports (Q1; IF:4,996).
Фотонный крючок представляет собой искривленный световой луч, радиус кривизны которого существенно меньше длины волны и который способен распространяться на расстояние нескольких длин волн. Такие свойства позволяют использовать его в микроскопии для получения изображений в сверхразрешении, а также в качестве манипулятора для управления движением наночастиц.
Особенность фотонных крючков заключается в том, что они являются статичными, то есть не могут менять свою форму и траекторию во времени. Это создает трудности для управления ими. Для того, чтобы сделать фотонные крючки более гибкими, сегодня используются специальные устройства, которые могут менять свои оптические свойства под воздействием электромагнитных полей. Данные способы дорогие и трудозатратные.
Исследователи Томского политехнического университета предложили альтернативный способ формирования фотонных крючков с использованием мезомасштабной капли воды. Он позволяет создавать фотонные крючки нового типа с управляемыми свойствами. Формирование фотонного крючка мезомасштабными сферическими частицами охлажденной воды, погруженными в воздух, моделировалось на основе строгого решения уравнений Максвелла.
Обычно фотонный крючок создается при прохождении света через частицу диэлектрика ассиметричной формы. Электромагнитная волна при этом «распадается» на две части: одна проходит через материал диэлектрика с одними оптическими свойствами и формой, вторая – через другой материал. На выходе волны «сливаются» и итоговый пучок искривляется. Мы использовали для создания крючка замерзающую каплю воды, помещенную на охлаждаемую подложку и освещенную лазерным лучом. Капля в процессе замерзания состоит из двух материалов — воды и льда. У них близкие, но разные оптические свойства — показатель преломления. Такая двухфазная структура, изменяющаяся во времени, формирует фотонные крючки во временной области — крючки, изменяющие конфигурацию в процессе замерзания, — комментирует профессор отделения электронной инженерии Олег Минин.
Ученые показали, что замерзающая мезомасштабная капля воды позволяет сфокусировать оптический луч в теневой части капли в фотонный крючок различной кривизны, несмотря на низкий оптический контраст между водой и льдом. Меняя размер капли, тип поверхности, на которой она расположена, различные сценарии замерзания сферической капли воды можно регулировать параметры замерзания капли. В этом случае время замораживания можно рассматривать как один из параметров динамического управления характеристиками фотонного крючка.
На следующем этапе исследования политехники планируют провести ряд экспериментов, направленных на более глубокое понимание физики процесса. Это позволит определить области применения самоизгибающихся фотонных крючков на основе замерзающей капли воды. Ученые предполагают, что их можно использовать в так называемой «зеленой» мезотронике, оптомеханике, оптических датчиках и устройствах, изготовленных из природной жидкости.