Ученые Казанского федерального университета совместно с коллегами из университета Пердью (США) обнаружили аномальное увеличение показателя преломления у нового класса материалов, представляющих двойные системы «кристалл–жидкость».

Полученные в работе фундаментальные знания сформируют основу для нового научного направления в современной физике – нелокальная фотоника.

Сотрудники НИЛ «Квантовая фотоника и метаматериалы», созданной в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» под руководством заведующего кафедрой оптики и нанофотоники Сергея Харинцева установили, что двойные системы «кристалл–жидкость», синтезируемые с помощью самосборки наночастиц или термооптического отжига аморфных пленок, могут преодолеть фундаментальные ограничения показателя преломления среды.

Результаты исследования представлены в статье, опубликованной в журнале Optical Materials Express. Редакция разместила иллюстрацию основного результата работы авторов на обложке журнала. 

«В этой работе продемонстрирована фундаментальная роль импульса оптического сжатого фотона в процессе рассеяния света на двойных системах "кристалл–жидкость", в которых ближний беспорядок трансформируется в дальний порядок, – рассказывает профессор Сергей Харинцев. – При освещении таких систем обычным лазерным светом генерируются пространственно-сжатые фотоны, которые обладают гигантским импульсом, сравнимым с импульсом электрона. Это приводит к усиленному взаимодействию фотона и электрона в твердых телах. Главным результатом такого взаимодействия является высокий показатель преломления двойных систем "кристалл–жидкость", который может достигать значений, выходящих за фундаментальные ограничения. Высокий показатель преломления открывает уникальные возможности в оптоэлектронике и квантовых вычислениях благодаря увеличенной фотонной плотности состояний, быстрым фазовым осцилляциям волнового фронта, оптическому конфайнменту, делокализации оптического ближнего поля и не только».

Кроме того, увеличенный импульс фотона оптического ближнего поля обеспечивает непрямые оптические переходы в металлах и полупроводниках, подчеркнула соавтор статьи, сотрудник НИЛ «Квантовая фотоника и метаматериалы» Института физики КФУ Элина Батталова.

«Непрямые оптические переходы в твердых телах экспериментально были подтверждены с помощью электронного комбинационного рассеяния света, интенсивность и сдвиг которого зависят от размера пространственных структур и их упаковки, – рассказывает Э. Батталова. – В наших экспериментах мы использовали этот новый спектроскопический метод для структурного анализа аморфокристаллического кремния и германия, галоидных перовскитов, сульфида молибдена и воды. В будущем мы планируем применить данный метод для количественного анализа локального показателя преломления двойных систем "кристалл–жидкость"».

Развитие новой материальной платформы, основанной на двойных системах «кристалл–жидкость», критически важно для разработки передовых технологий в таких прикладных областях, как водородная энергетика, сенсорика, безрезонаторные нанолазеры, субдифракционная широкопольная оптическая визуализация, беспроцессорные нейроморфные вычисления.