Сотрудники НИЛ «Квантовая фотоника и метаматериалы» Института физики Казанского федерального университета под руководством заведующего кафедрой оптики и нанофотоники, профессора Сергея Харинцева установили, что в средах с сильной пространственной дисперсией основным механизмом оптического нагрева является рассеяние света, а не поглощение, как считалось до сих пор. 

Этот экспериментальный результат имеет важное значение для развития нелокальной фотоники – формирующейся области современной оптики, которая изучает взаимодействие света с пространственно-ограниченными средами.

Результаты работы представлены в статье, опубликованной в высокорейтинговом журнале Nanophotonics. Работа поддержана индустриальным партнером ООО «Остек-АртТул» (г. Москва).

«Взаимодействие света и вещества играет важную роль в развитии современных технологий в области оптоэлектроники, биомедицины и возобновляемой энергетики. Оптическое излучение хорошо взаимодействует с однородными средами только в условиях резонанса, в котором энергия фотона напрямую преобразуется в энергию электрона. Это явление известно как поглощение света и подчиняется закону Бугера-Ламберта-Бера. Именно поглощение приводит к фотонагреву непрозрачных однородных сред. Однако оптическое излучение плохо взаимодействует с однородными средами вне резонанса из-за рассогласования импульсов электрона и фотона», – ввел в курс дела Сергей Харинцев. 

Неоднородные среды, по словам ученого, содержат большое количество наноразмерных оптических неоднородностей, таких как дефекты, межфазные границы, включения, области двойникования и т.д. При лазерном освещении эти неоднородности генерируют фотоны ближнего поля с увеличенными импульсами, которые участвуют в непрямых (с изменением импульса электрона) оптических переходах. В результате оптически прозрачные неоднородные (пространственно-ограниченные) среды могут нагреваться.

Чтобы объяснить это явление, группа профессора предположила, что общие оптические потери в неоднородных средах возникают не только из-за прямого/непрямого поглощения, но также из-за прямого/непрямого рассеяния. В работе авторы продемонстрировали аномальный оптический нагрев пространственно-ограниченных твердых тел за счет электронного рассеяния света, которое является доминирующим механизмом взаимодействия света с веществом.

«Аномальный оптический нагрев пространственно-ограниченных сред обусловлен непрямыми оптическими переходами благодаря согласованию импульсов электрона и фотона. В то время как непрямое поглощение определяется законами сохранения энергии и импульса, непрямое рассеяние света ограничено только требованием сохранения импульса электрона», – подчеркнула соавтор работы, магистрант Института физики Элина Батталова.

Это излучение, а именно электронное рассеяние света, несет важную информацию о пространственной структуре неоднородных сред и не зависит от их химического состава.

«Важно отметить, что этот механизм приводит к увеличению концентрации зарядов в зоне проводимости и, следовательно, обеспечивает увеличение показателя преломления, оптического нагрева, фотопроводимости и оптической нелинейности. Сегодня электронное рассеяние света широко используется для структурного анализа неоднородных и неупорядоченных твердых тел и имеет потенциал для дальнейшего применения в фотоэлектрических и термооптических технологиях и устройствах», – продолжает С. Харинцев.

Электронное рассеяние света имеет важное практическое применение в оптоэлектронике для разработки белых светодиодов и безрезонаторных микролазеров, кремниевых солнечных батарей с эффективностью, превышающей предел Шокли-Квиссера (32 процента). Высокий показатель преломления пространственно-ограниченных сред открывает путь к созданию оптически прозрачных электропроводящих материалов. Электронное рассеяние света может служить спектроскопическим инструментом для дефектоскопии твердых тел, который найдет применение для экспресс-характеризации кремниевых пластин большой площади. Этот неинвазивный инструмент также может быть использован в геологоразведке для определения пространственной структуры пористых пород, проницаемости и нефтегазонасыщенности коллекторов. Предложенный физический принцип позволяет увеличить дебет скважин путем уменьшения вязкости тяжелых нефтей.

Наибольший интерес представляют приложения в области биомедицины. В частности, электронное рассеяние света может быть использовано для оптического детектирования конформаций пептидов и белков при комнатной температуре. Аномальный фотонагрев пространственно-ограниченных сред лежит в основе таргетной термооптической диагностики и терапии нейродегенеративных заболеваний и некоторых видов рака. Наконец, этот механизм проливает свет на поведение открытых химических и биологических систем с настраиваемой сложностью для создания сознательного искусственного интеллекта.