Физики МГУ получили изображения электромагнитных полей оптических наноантенн

Ученые физического факультета МГУ совместно с бельгийскими коллегами из Католического университета Лëвена и исследовательского центра IMEC визуализировали с субволновым пространственным разрешением оптические моды в кремниевых наноантеннах. Результат их работы окажется полезен при разработке новейших миниатюрных устройств для управления электромагнитным излучением в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне.

Электромагнитные антенны широко применяют в сотовой связи, телевидении и телекоммуникациях. Традиционно они преобразуют микро- и радиоволны, а потому имеют соответствующие их длинам волн размеры – от нескольких миллиметров до нескольких метров. Современные методики позволяют изготавливать и совсем миниатюрные наноантенны, которые могут управлять электромагнитным излучением в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне. Они также получили название оптических наноантенн. Особую роль среди них занимают структуры, изготовленные из материалов с высоким показателем преломления, например из аморфного кремния. Последний также обладает низким коэффициентом поглощения, поскольку является непрямозонным полупроводником: под действием света электроны с малой вероятностью переходят из валентной зоны в зону проводимости, что делает кремниевые наноантенны намного эффективнее металлических аналогов.

Оптические наноантенны из кремния позволяют локализовать падающий свет в область с субволновыми размерами, то есть меньше длины его волны. Субволновая локализация электромагнитного поля в них достигается благодаря возбуждению оптических мод (устойчивых структур электромагнитных полей), пространственное распределение которых зависит от формы наноантенн. При разработке различных устройств очень важно уметь визуализировать распределение их электромагнитных полей, но при использовании обычных методов оптической микроскопии сделать это невозможно из-за фундаментальных физических ограничений.

Чтобы преодолеть эту проблему, сотрудники лаборатории нанооптики и метаматериалов физического факультета МГУ вместе с бельгийскими коллегами локально возбуждали оптические наноантенны при помощи сканирующей ближнепольной оптической микроскопии. Такой метод имеет красивую акустическую аналогию, примененную Эрнстом Хладни в 1787 году для визуализации акустических мод в металлических пластинах различной формы. Покрывая песком пластины и возбуждая смычком акустические моды, он наблюдал разнообразные узоры, теперь известные как фигуры Хладни, показывающие пространственное распределение узлов акустических мод.

«По аналогии мы использовали апертурный зонд сканирующего ближнепольного оптического микроскопа. Он представляет собой полую металлическую пирамиду с крошечным отверстием размером в 90 нанометров, которое формирует сильно локализованный источник света. Поднесение зонда к наноантенне обеспечивает эффективное возбуждение оптических мод. Собирая отклик наноантенны, можно получить изображения, показывающие их пространственную структуру с субволновым разрешением до 50 нанометров», – отметил один из соавторов статьи Александр Фролов, младший научный сотрудник лаборатории нанооптики и метаматериалов физического факультета МГУ.

«Мы показали, что апертурный зонд возбуждает и визуализирует оптические моды электрического и магнитного типа в кремниевых наноантеннах с формой диска, квадрата и треугольника. Были обнаружены моды шепчущей галереи, локализованные у границ наноантенн, и моды типа Ми/Фабри-Перо, возбуждаемые по всему объему наноантенн», – рассказал один из соавторов работы, профессор Католического университета г. Лёвена Виктор Мощалков.

«Данный подход может быть использован для исследования оптических наноантенн различной формы и визуализации всех типов оптических мод. Локальное возбуждение мод сопровождается значительным изменением рассеяния и локализации света, которые могут оказывать непосредственное влияние, например, на квантовый выход близлежащих излучателей и эффективность нелинейных процессов», – подвел итог один из соавторов статьи, заведующий кафедрой нанофотоники физического факультета МГУ Андрей Федянин.