«Фотонный крючок»: ученые ТПУ вместе с коллегами получили новый тип искривленного светового луча

Ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами из Великобритании, Израиля, Университета ИТМО и других российских вузов получили новый тип искусственно искривленного луча. В своих работах исследователи дали ему название «фотонный крючок». Ранее науке был известен лишь один тип искривленного луча — пучки Эйри. Полученный «крючок» может использоваться в микроскопии для получения изображений в сверхразрешении. Также ученые показали, что он может выполнять роль манипулятора для наночастиц и перемещать их. Последние результаты исследований ученых были опубликованы в журналах Optics Letters (IF 3.416; Q1) и Scientific Reports (IF 4.259; Q1).

Фото: vseznaika.org.

Задача рассеяния света на диэлектрических частицах — это задача с очень длинной историей. Аналитические выражения для рассеяния были получены Густавом Ми в 1908 году. Его теория предсказывает наличие двух внутренних фокусов внутри диэлектрической частицы. В 2004 году американские ученые опубликовали работу, в которой показали, что при определенных значениях размера частицы и показателя преломления внутренний фокус на теневой поверхности частицы сдвигается на ее границу. В этой области образуется сильно локализованное электромагнитное поле. Этот эффект они назвали «фотонная струя». У этой струи характерный поперечный размер — меньше дифракционного предела. Поэтому она может использоваться для получения сверхразрешения.

Также известны криволинейные пучки, так называемые пучки Эйри. В них свет распространяется по параболе. Однако, как отмечают ученые, получать эти пучки и использовать, в том числе в микроскопах, достаточно сложно.

«Ранее считалось, что других типов искривленных лучей, кроме пучков Эйри, не существует. Нам удалось получить новый тип криволинейного пучка света, также мы запатентовали принцип его создания на основе фотонной струи от диэлектрических частиц с нарушенной симметрией.

В нашей статье в “Optics Letters” мы описали свойства “фотонного крючка”. Для создания луча в экспериментах использовали кубические частицы с пристыкованной призмой. Когда излучение падает на торец частицы, на гранях и внутри частицы происходит дифракция. За счет разницы фазовых скоростей внутри и вблизи граней формируется сходящий волновой фронт, он фокусируется на выходе из частицы. А поскольку одна грань скошена, то волны между собой интерферируют, и область локализации получается кривой», — объясняет профессор отделения электронной инженерии ТПУ Игорь Минин.

В статье для Scientific Reports ученые рассмотрели интересное применение фотонного крючка — он позволяет перемещать наночастицы под действием давления света, огибать барьер, переносить их через него.

«Это перспективное применение для биологии, медицины, создания новых материалов, где необходимо управлять клетками»,

— отмечает Игорь Минин. Моделирование таких процессов было проведено под руководством Александра Шалина (руководитель международной научной лаборатории «Нанооптомеханика» Университета ИТМО).

Добавим, исследования ведутся в коллаборации с учеными из Бангорского университета (Великобритания), Университета ИТМО, Томского государственного университета и Университета имени Бен-Гуриона (Израиль).