Un team di ricerca dell'Università ITMO e dell'Università nazionale australiana ha scoperto che diverse metasuperfici mostrano lo stesso comportamento a condizione che venga introdotta una rottura della simmetria nei loro "meta-atomi" delle cellule unitarie. L'asimmetria dei meta-atomi si traduce in risonanze di alta qualità (alto Q) negli spettri di trasmittanza delle metasuperfici. Tali risonanze sono in grado di amplificazione multipla di segnali esterni. Manipolando l'asimmetria, gli scienziati sono stati in grado di controllare le risonanze e quindi una risposta ottica, che è altamente desiderabile per le applicazioni pratiche. I risultati di questa ricerca sono stati pubblicati in Lettere di revisione fisica .

Il fattore di qualità (il cosiddetto fattore Q) è una delle caratteristiche più importanti di un sistema risonante. Determina l'efficacia dell'interazione luce-materia e l'amplificazione dei segnali esterni. Mostra quanto bene la struttura può intrappolare la luce. Quando il campione si riduce di dimensioni, soprattutto di spessore, anche il suo fattore di qualità si riduce notevolmente, rendendolo inadatto per applicazioni pratiche.

Nella loro nuova ricerca, un team di fisici della ITMO University e dell'Australian National University, guidato dal Prof. Yuri Kivshar, ha rivelato una nuova fisica delle risonanze ad alto Q. Gli scienziati hanno scoperto che le risonanze acute ad alto Q sono determinate principalmente dall'asimmetria dei meta-atomi, e quasi non dipendono dallo spessore delle metasuperfici e dal tipo di materiali che dimostrano un comportamento universale per tutti i tipi di tali metasuperfici. Perciò, le metasuperfici con simmetria rotta possono essere utilizzate per creare sensori sottili (meno della lunghezza della luce) e altamente efficienti, laser, e sorgenti di radiazioni non lineari.

Ma ancora più importante, i ricercatori hanno dimostrato che le risonanze ad alto Q nelle metasuperfici asimmetriche sono governate da stati legati nel continuum. Questi ultimi sono stati non radiativi che compaiono quando diverse risonanze in un sistema interagiscono nel regime di interferenza distruttiva che sopprime le perdite radiative.

"Abbiamo studiato gli stati legati nel continuum per due anni come parte di un progetto sostenuto dalla Russian Science Foundation. Ad un certo punto ci siamo resi conto che la natura delle risonanze ad alto Q nelle metasuperfici è correlata alla fisica degli stati legati delle continuum. Si scopre che, introducendo un'asimmetria, possiamo distruggere gli stati legati nel continuum e convertirli in risonanze ad alto Q. Abbiamo analizzato una dozzina di sistemi asimmetrici, trovato in varie fonti, in modo molto dettagliato e sono stati in grado di dimostrare che gli effetti precedentemente descritti erano causati da stati legati nel continuum, "dice il dottor Andrey Bogdanov, ricercatore presso l'International Research Center for Nanophotonics and Metamaterials presso l'Università ITMO.

"Il risultato più importante del nostro lavoro è che siamo stati in grado di aggregare e riassumere i risultati di un gran numero di lavori provenienti da vari campi della fotonica e della radiofisica, che hanno solo due cose in comune:la struttura, che è una metasuperficie asimmetrica, e la natura dei fenomeni osservati, quello delle risonanze acute e strette nella risposta spettrale. Nelle opere più antiche, questo è stato spiegato attraverso l'uso di nuovi termini. Noi, però, ha mostrato che tutti i fenomeni fisici possono essere descritti tramite stati legati nel continuum, un fenomeno interferenziale universale noto ai fisici quantistici fin dall'inizio del XX secolo, " nota il signor Kirill Koshelev, un membro dello staff dell'International Research Center for Nanophotonics and Metamaterials presso l'Università ITMO.

Secondo i ricercatori, una comprensione più profonda dell'ottica degli stati legati nel continuum può aiutare a semplificare il processo di creazione di materiali con una risposta ottica specifica. Nelle ricerche future, gli scienziati intendono utilizzare i risultati acquisiti per analizzare gli effetti ottici non lineari in metasuperfici simili.