Ученые Института физики твердого тела РАН и Московского физико-технического института (МФТИ) открыли высокодобротные моды сверхрезонатора Фабри — Перо. Они исследовали прохождение терагерцового электромагнитного излучения через диэлектрическую пластину, покрытую с двух сторон металлическими параллельными решетками. Обнаруженное явление возникновения резонанса может оказаться полезным при создании детекторов и источников терагерцового излучения. Подобные технологии должны привести к увеличению скорости передачи данных через wi-fi, развитию новых методов диагностики в медицине, а также созданию более совершенных приборов в радиоастрономии.
Исследование опубликовано в журнале Applied Physics Letters. Физики исследуют подобные резонаторные структуры из-за их удивительного свойства: сохранять энергию электромагнитного излучения в малых объемах пространства. При прохождении электромагнитного излучения через диэлектрический слой в нем могут возникнуть резонансные колебания, которые, в свою очередь, значительно усиливают излучение. Частоты таких колебаний зависят от диэлектрической проницаемости материала и его толщины, а сами колебания называются модами Фабри — Перо.
Однако добротность (то есть отношение энергии, запасенной в резонаторе, к потерям за период) этих колебаний крайне мала из-за радиационных потерь энергии на излучение в окружающее пространство. Коллективом авторов было обнаружено возникновение высокодобротного супер-резонанса этих мод при распространении электромагнитного терагерцового излучения (то есть излучения с частотой 1012 Гц) в диэлектрической пластине с металлическими параллельными решетками.
Рассмотрим физику процесса, приводящего к увеличению добротности резонатора. В общем случае при падении электромагнитной волны на исследуемую структуру на металлических решетках возбуждаются две моды стоячей волны, каждая из которых испытывает сильное радиационное затухание. Однако при электромагнитных волнах с близкими к частотам Фабри — Перо частотами заряды на решетках колеблются с одинаковой амплитудой и в противоположной фазе, что приводит к деструктивной интерференции волн от решеток вне подложки. Таким образом, происходит пространственное ограничение электромагнитной волны, приводящее к снижению внешних энергетических радиационных потерь и увеличению добротности.
Получившаяся экспериментально максимальная добротность Q составила 880 для частоты излучения в 0,1 ТГц, что является значительным увеличением по сравнению с диэлектрической пластиной без металлических решеток, так как для нее добротность Q составила всего лишь 4,5. Большая добротность в терагерцовом диапазоне делает подобные конструкции особенно многообещающими для создания биосенсоров, ведь именно в терагерцовом диапазоне находится спектральный отклик большого количества химических веществ.
Сама структура представляет из себя кремниевую пластинку с металлическими решетками из слоев Cr и Au, изготовленными литографически с обеих сторон. Такая конструкция проста в создании и использовании. Кроме того, она дает возможность изменением размера и материала резонатора варьировать спектр поглощения пластины. Перечисленные достоинства позволяют считать описанную структуру особенно ценным элементом при создании будущих приборов оптоэлектроники.
Стоит отметить, что явление супер-резонанса делает возможным и заслуживающим внимания использование подобных структур во многих областях науки и техники, таких как нанофотоника, терагерцовая электроника, а также усиление поглощения в различных спектральных диапазонах. В связи с постоянным и ежегодным ростом рынка фотоники развитие подобных технологий является востребованной и актуальной задачей в современном мире.