Ученые из Сколтеха в сотрудничестве с коллегами из МФТИ разработали оригинальный метод управления угловым положением наноструктур, основанный на эффекте Казимира — квантовом взаимодействии, которое возникает даже в условиях вакуума.
Эффект Казимира, предсказанный известным физиком Хендриком Казимиром в 1948 году, обозначает притяжение между двумя нейтральными поверхностями, возникающее в результате квантовых флуктуаций. В новом исследовании ученые продемонстрировали, что в контексте сложных наноструктур этот эффект способен не только генерировать силу притяжения, но и создавать вращающий момент.
Основным объектом изучения стали фотонные решетки — структуры, состоящие из параллельных полос анизотропного материала, свойства которого зависят от направления. Исследователи проанализировали систему, состоящую из двух таких решеток, которые были повернуты относительно друг друга, причем каждая из них имела смещенную ось анизотропии. Это нарушение симметрии привело к хиральной природе системы.
Результаты расчетов показали, что в данной конфигурации возникает устойчивый угол поворота между решетками. Уникальность этого явления заключается в том, что угол поворота определяется внутренними свойствами материала и практически не зависит от расстояния между структурами. Это означает, что если такие элементы располагаются достаточно близко друг к другу, они способны «самостоятельно» ориентироваться в нужном положении без необходимости во внешнем воздействии.
По словам Натальи Салаховой, младшего научного сотрудника Центра инженерной физики Сколтеха и выпускницы МФТИ, ключевое достижение данной работы заключается в том, что равновесный угол поворота определяется свойствами материала. Это открывает новые возможности для проектирования фотонных наноструктур.
Илья Фрадкин, научный сотрудник Центра инженерной физики Сколтеха и лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ, добавил, что ранее крутящий момент Казимира считался сложным для практического применения, однако введение хиральности значительно меняет ситуацию, делая возможным создание самонастраивающихся структур.
Как отметил Сергей Дьяков, доцент и руководитель исследовательской группы в Центре инженерной физики Сколтеха, практическое применение данного открытия связано с реконфигурируемой нанофотоникой. Такие структуры могут найти применение в миниатюрных оптических переключателях, сенсорах и квантовых устройствах, где механическое управление невозможно.
В заключение, Николай Гиппиус, директор группы теоретической нанофотоники и профессор Центра инженерной физики Сколтеха, подчеркнул, что следующим шагом в исследовании станет поиск материалов с оптимальной анизотропией, что позволит усилить эффект Казимира.