Открыт еще один феномен конуса Дирака

Группе физиков удалось выявить феномен, который может привести к созданию новых видов датчиков и лазерных систем.

Конус Дирака, названный в честь британского физика Поля Дирака, положил начало концепции элементарных частиц и физике высоких энергий, а в последнее время стал важной частью исследования в области физики конденсированных сред и материаловедения. Его открытие позволило подробно описать аспекты графена, двухмерной формы углерода, что также говорит о возможности применения в различных областях.

Сейчас физики из Массачусетского технологического института (MIT) нашли еще одно необычное явление, произведенное конусом Дирака: он может породить феномен, описанный учеными как «кольцо из особых точек». Это открытие соединило два крупных направления исследований в области физики и может найти применение в создании мощных лазеров, точных оптических датчиков и других устройств.

Результаты проведенных исследований опубликованы в издании Nature, под редакцией профессоров физики Бо Чжэнь, Марин Солжаси и Джона Янополуса.

Первая демонстрация кольца

Со слов профессора Чжэня, данная работа представляет собой «первую экспериментальную демонстрацию кольца из особых точек и первое исследование, которое касается исключительных точек с физическими понятиями четности временной симметрии и конусом Дирака».

Отдельные исключительные точки являются своеобразным уникальным явлением, необычным для класса физических систем, что может привести к парадоксальным явлениям. Например, вокруг этих точек непрозрачные материалы могут показаться более прозрачным, а свет может передаваться только в одном направлении. Тем не менее, практическая полезность этих свойств ограничена из-за потерь поглощения.

Чтобы воспроизвести «кольцо из особых точек» команда ученых из MIT использовали наноинженерный материал под названием фотонный кристалл. Вновь созданное кольцо несколько отличается от изучаемого ранее, что делает его потенциально более практичным, говорят исследователи.

Вместо потерь поглощения, мы взяли другой механизм потерь – потери на излучение – они не влияют на производительность устройства, объяснил профессор Чжэнь. На самом деле, потери на излучение полезны и необходимы в таких устройствах, как лазеры, добавил он. Это явление позволит создать новые виды оптических систем с новыми функциями.

Также, из-за чрезвычайной чувствительности, разработанная система может использоваться при изготовлении высокоточных детекторов для биологических или химических материалов. Высокая чувствительность обусловлена свойствами особых точек: их ответ на возмущения к нелинейным силам.

Одним из важных возможных применений этой работы является создание более мощной лазерной системы, чем существующие технологии, говорит Марин Солжаси. Фотонные кристаллические поверхностно-излучающие лазеры являются весьма перспективными для следующего поколения высококачественных, мощных компактных лазерных систем, добавила она. И мы прогнозируем, что сможем улучшить предел выходной мощности таких лазеров, по меньшей мере, в 10 раз.

Со слов ученых, очень трудно обнаружить вещество, если его концентрация низка. Когда концентрация целевого вещества уменьшается в миллион раз, суммарный сигнал также уменьшается в миллион раз, что может сделать его слишком маленьким для обнаружения. Но благодаря свойствам особых точек – обеспечивать гораздо большую ответную реакцию, любой сигнал может быть обнаружен.