Российские ученые изобрели новый метод фокусировки терагерцевого излучения

В международной научной лаборатории «Излучение заряженных элементов» входящей в Институт нанотехнологий в области электроники, спинтроники и фотоники НИЯУ МИФИ был разработан новый вид дифракционных решеток, способных сосредоточить терагерцовое излучение.

Фото: https://www.flickr.com/photos/25649741@N04/5391914387 by FastLizard4 is licensed under CC BY-SA 2.0

Когда электроны двигаются близ периодической решетки со скоростью, близкой к световой в вакууме, происходит возбуждение излучения в честь ученых — Смита и Парселла, которые первыми зафиксировали необычное явление в 1953 году: при движении электронов над металлической решеткой на ее поверхности возникала ярко светящаяся цветная линия. Цвет этого света, то есть частота излучения, менялся в зависимости от угла наблюдения и скорости электронов.

Ученые отметили влияние свойств этого излучения на период решетки — в ходе эксперимента они изменяли период, поворачивая решетку. Интересно, что задолго до эксперимента Смита и Парселла, в 1942 году, данный вид излучения был теоретически предсказан советским ученым И. М. Франком. С тех пор изучение излучения Смита-Парселла активно ведется в мире как исследование источника излучения, так и метода диагностики очень быстрых электронных потоков на коллайдерах и ускорителях. В настоящее время проводятся интенсивные исследования данного вида излучения с целью создания управляемого источника излучения, то есть источника, параметры которого можно изменять в процессе работы.

Сотрудники международной научной лаборатории «Излучение заряженных элементов», ИНТЭЛ, НИЯУ МИФИ теоретически изучают свойства излучения Смита-Парселла от фотонных кристаллов (искусственные среды, аналогичные обычным кристаллам, где в узлах располагаются относительно крупные объекты — наночастицы, микрочастицы, отверстия, различные формы резонаторов).

Для генерации излучения Смита-Парселла особенно интересны двумерные фотонные кристаллы — массивы частиц, расположенные в одной плоскости и формирующие прямоугольную решетку, то есть два периода в перпендикулярных направлениях. Благодаря отсутствию толщины материала в таких фотонных кристаллах излучение практически не поглощается, что гарантирует высокую интенсивность такого источника. При этом две периодичности предоставляют больше возможностей для регулировки света, включая его частоту и направление распространения.

Обычно излучение от электронов изучают вдали от источника, в дальней зоне. Поле излучения в этой зоне уже «сформировалось» и отделилось от электрического поля электрона, которое быстро уменьшается с расстоянием. Поэтому в дальней зоне спектры частот излучения Смита-Парселла имеют яркие и узкие максимумы, а вся интенсивность сконцентрирована вблизи отдельных направлений, что очень удобно для дальнейшего использования излучения.

Однако если скорость электрона велика, то дальняя зона находится очень далеко от решетки — до нескольких метров. На практике размещение детектора на таких расстояниях оказывается неудобным. Решение заключается в регистрации излучения близ мишени, в ближней или предволновой зонах. Однако поле излучения здесь еще не успело «сформироваться» и отделиться от электрического поля электрона, что приводит к расплыванию спектров — они становятся широкими, а выделенные направления распространения в пространстве отсутствуют, излучение распространяется практически во всех направлениях с одинаковой интенсивностью.

Дамир Гараев разработал теорию излучения Смита-Парселла от двумерных фотонных кристаллов, описывающую свойства излучения на любых расстояниях от решетки до детектора. Он также вычислил оптимальное расположение частиц фотонного кристалла на плоскости для удобства установки детектора близко к решетке, сохраняя при этом спектр и угловое распределение излучения, как если бы детектор находился далеко. Оказалось, что для этого частицы должны находиться в узлах не прямоугольной, а изогнутой решетки. Математически, форма изгиба — парабола или гипербола. Излучение от таких решеток фокусируется, что приводит к сокрытию эффекта ближней зоны (гашению шумных спектров и растеканию излучения в пространстве).

Дамир отметил, что было неожиданно получить гиперболический закон описания положений частиц решетки. В оптике для гашения аналогичного эффекта ближней зоны обычно используются параболические зеркала, и параллели между физикой излучения и оптикой очень близки. Однако в ходе дальнейшего анализа было обнаружено, что параболический закон также справедлив, но только в случае ультрарелятивистов, то есть для электронов со сверхсветовой скоростью! Это логично: в данном случае за счет лоренцевского сжатия кулоновское поле очень быстрых электронов становится по свойствам схожим с полем плоской волны. Именно поэтому в данном случае достигается наилучшее сходство с оптикой.

Также сотрудники лаборатории теоретически показали, что такие мишени обеспечивают стабильные спектры и угловые распределения. Даже небольшие случайные смещения частиц от исходных координат, которые возможны при изготовлении мишеней, практически не оказывают влияния: фокусировка сохраняется практически без изменений. Полученные результаты сделают возможным создание эффективного источника излучения, включая ТГц диапазон, а также управление светом в режиме реального времени — частотой и направлением распространения. Исследования проводились в рамках программы «Приоритет-2030», подпроекта «Терагерцовая фотоника на основе метаматериалов и наноплазмоники» в рамках проекта ИНТЭЛ «Радиофотоника и квантовая сенсорика».