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»,— объясняет Сергей Харинцев.
Неоднородные среды, по словам ученого, содержат большое количество наноразмерных оптических неоднородностей, таких как дефекты, межфазные границы, включения, области двойникования 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 Сергей 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%). 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.