Une équipe de recherche de l'Université ITMO et de l'Université nationale australienne a découvert que différentes métasurfaces présentent le même comportement à condition qu'une brisure de symétrie soit introduite dans leurs cellules unitaires « méta-atomes ». L'asymétrie des méta-atomes entraîne des résonances de haute qualité (Q élevé) dans les spectres de transmittance des métasurfaces. De telles résonances sont capables d'amplification multiple de signaux externes. En manipulant l'asymétrie, les scientifiques ont pu contrôler les résonances et donc une réponse optique, ce qui est hautement souhaitable pour des applications pratiques. Les résultats de cette recherche ont été publiés dans Lettres d'examen physique .

Le facteur de qualité (appelé facteur Q) est l'une des caractéristiques les plus importantes d'un système résonant. Il détermine l'efficacité de l'interaction lumière-matière et l'amplification des signaux externes. Cela montre à quel point la structure peut piéger la lumière. Lorsque l'échantillon est réduit en taille, surtout en épaisseur, son facteur de qualité est également considérablement réduit, ce qui le rend impropre aux applications pratiques.

Dans leurs nouvelles recherches, une équipe de physiciens de l'Université ITMO et de l'Université nationale australienne, dirigé par le professeur Yuri Kivshar, a révélé une nouvelle physique des résonances à Q élevé. Les scientifiques ont découvert que les résonances aiguës à Q élevé sont principalement déterminées par l'asymétrie des méta-atomes, et ils ne dépendent presque pas de l'épaisseur des métasurfaces et du type de matériaux démontrant un comportement universel pour tous les types de telles métasurfaces. Par conséquent, les métasurfaces à symétrie brisée peuvent être utilisées pour créer des capteurs minces (inférieurs à la longueur de la lumière) et très efficaces, laser, et les sources de rayonnement non linéaires.

Plus important, les chercheurs ont prouvé que les résonances à Q élevé dans les métasurfaces asymétriques sont régies par des états liés dans le continuum. Ces derniers sont des états non radiatifs qui apparaissent lorsque plusieurs résonances d'un système interagissent en régime d'interférence destructive supprimant les pertes radiatives.

"Nous étudions les états liés dans le continuum depuis deux ans dans le cadre d'un projet soutenu par la Fondation scientifique russe. À un moment donné, nous avons réalisé que la nature des résonances à Q élevé dans les métasurfaces est liée à la physique des états liés de la continuum. Il s'avère que, en introduisant une asymétrie, nous pouvons détruire les états liés dans le continu et les convertir en résonances à Q élevé. Nous avons analysé une douzaine de systèmes asymétriques, trouvé dans diverses sources, en détail et ont pu montrer que les effets décrits précédemment étaient causés par des états liés dans le continuum, " dit le Dr Andrey Bogdanov, chercheur au Centre international de recherche sur la nanophotonique et les métamatériaux de l'Université ITMO.

"Le résultat le plus important de nos travaux est que nous avons pu agréger et synthétiser les résultats d'un grand nombre de travaux issus de divers domaines de la photonique et de la radiophysique, qui n'ont que deux choses en commun :la structure, qui est une métasurface asymétrique, et la nature des phénomènes observés, celui des résonances nettes et étroites dans la réponse spectrale. Dans les œuvres plus anciennes, cela s'expliquait par l'utilisation de nouveaux termes. Nous, cependant, a montré que tous les phénomènes physiques peuvent être décrits via des états liés dans le continu, un phénomène interférentiel universel connu des physiciens quantiques depuis le début du 20ème siècle, " note M. Kirill Koshelev, membre du personnel du Centre international de recherche sur la nanophotonique et les métamatériaux de l'Université ITMO.

Selon les chercheurs, une compréhension plus approfondie de l'optique des états liés dans le continuum peut aider à simplifier le processus de création de matériaux avec une réponse optique spécifique. Dans des recherches futures, les scientifiques prévoient d'utiliser les résultats qu'ils ont acquis pour analyser les effets optiques non linéaires dans des métasurfaces similaires.