Уменьшение фотонных устройств долгое время оставалось одной из самых сложных задач в современной физике. Свет, в отличие от электронов, крайне трудно сжать до наноразмеров из-за фундаментальных ограничений: минимальный объем, который он может занимать, напрямую связан с его длиной волны. Эффективный объем фотонной моды, то есть пространственная область, где сконцентрирована основная часть электромагнитной энергии одного кванта света, в классическом дифракционном пределе составляет примерно λ³/10. Для видимого и инфракрасного излучения этот предел в тысячи раз больше, чем для электронных сигналов, из-за чего фотонные чипы остаются громоздкими, а оптические микроскопы не могут различать детали меньше определенного размера.
Раньше ученые пытались решить эту проблему с помощью плазмоники, используя металлы для «сжатия» света. Однако здесь возникла критическая проблема: при возбуждении поверхностных плазмонов свободные электроны совершают колебания, рассеивая энергию в тепло. Эти омические потери особенно сильны при сильном сжатии света, когда потери растут экспоненциально. Нагревание не только снижает добротность резонаторов и делает устройства неэффективными для оптических переключателей или датчиков, но и разрушает термочувствительные образцы в биосенсорике, что практически исключает применение плазмоники во многих областях. Поэтому ученые обратились к диэлектрическим наноструктурам, которые могут сжимать свет без металлических потерь.
В 2024 году команда под руководством Жэнь-Миня Ма из Пекинского университета предложила принципиально иной подход, опубликованный в журнале Nature. Они разработали теорию «особого дисперсионного уравнения», которая показала, что свет можно концентрировать с помощью диэлектрических материалов, не вызывающих потерь тепла. Новое исследование, опубликованное в журнале eLight, раскрывает физическую природу этого открытия. Оказывается, ключевую роль играют особые электромагнитные моды — «волновые функции в форме нарвала». Такая метафора не случайна: в области сингулярности (острия) электромагнитное поле резко усиливается по степенному закону, словно бивень нарвала, а вдали от него — экспоненциально затухает. Это уникальное сочетание позволяет сжимать свет до невероятно малых объемов, недостижимых в обычных условиях.
Исследователи не только теоретически описали эффект, но и создали трехмерный диэлектрический резонатор, который подтвердил расчеты. С помощью сканирующего микроскопа они в реальном времени наблюдали «волны-нарвалы» и зафиксировали рекордную концентрацию света: объем моды составил всего 5×10⁻⁷ λ³, что примерно в 2 миллиона раз меньше, чем в классическом дифракционном пределе. Это позволяет локализовать свет в субволновой области размером в десятки нанометров, что критично для усиления взаимодействия света с веществом в нанофотонике, и полностью лишено тепловых потерь, характерных для плазмоники.
На основе нового эффекта команда разработала «сингулярный оптический микроскоп», способный различать объекты размером до λ/1000. Для демонстрации возможностей прибора ученые сфотографировали узоры, включая буквы «PKU» и «SFM», с разрешением, которое ранее казалось физически невозможным. Это открытие закладывает основы новой области — сингулоники, которая обещает создать сверхэффективные вычислительные системы, продвинуть квантовую оптику и вывести микроскопию на принципиально новый уровень.
Источник: Scientists discover strange “narwhal” waves that trap light beyond known limits