Вести с полей. Нанофотоника и лазер: ученые создают сверхсильные магнитные поля внутри диэлектриков
Российские исследователи обнаружили, что магнитные поля можно создавать не только вокруг, но и внутри частиц. Они использовали лазер и метод компрессионного сжатия, благодаря чему смогли усилить слабое магнитное поле в миллион раз. Об этом рассказал доктор физико-математических наук Борис Лукьянчук в своем докладе на форуме «Наука будущего — наука молодых».
Как правило, магнитные поля создаются с помощью соленоидов — проволочных спиралей. Когда через них проходит электрический ток, устройство создает магнитное поле. Однако еще Петр Леонидович Капица, советский физик, проанализировал возможности соленоидов. Они пригодны только для относительно маленьких магнитных полей. При создании больших проволока будет рваться и плавиться, и поэтому им подходит только импульсный режим.
Лаборатория нелинейной и экстремальной нанофотоники, созданная при поддержке мегагранта, занялась этим вопросом. Ученые взяли за основу разработку академика Сахарова о компрессионном сжатии. Она заключаются в следующем: если взять медный, проводящий ток цилиндр и усиленно сжимать его, то образуются резонансы. Это совпадение частоты одного колебания с частотой другого, которое приводит к возрастанию их интенсивности. Резкие движения электронных колебаний приводят к образованию магнитного поля. Следуя этой идее, исследователи достигли максимальной индукции (силе электрического тока в магнитном поле) — 3000 Тесла.
Затем они изучили диэлектрические частицы, плохо проводящие ток. При воздействии оптического излучения у диэлектриков нет магнитного отклика, однако его можно спровоцировать с помощью лазера и увеличения резонанса. Ученые подсветили им конкретные частицы. Лазерный свет появился на полюсах диэлектриков и вызвал особый эффект — резонанс Фано. Он существует при контакте двух видов колебаний, один из которых описывается узкой спектральной полосой, а другой — широкой. Узкий контур может обладать разными формами: симметричной (контур Лоренца) и ассиметричной (контур Фано). Эта вариантность узкого контура колебаний и позволяет создать магнитное поле внутри самой частицы. Чтобы повысить его индукцию, достаточно увеличить показатель преломления света. Амплитуда таких полей не ограничена, в отличии от «цилиндровых».
Резонансам Фано может угрожать лишь диссипация, то есть снижение частоты колебаний волн.
«Если резонанс попадет точно в Фано, то электрическая интенсивность будет 106 ампер, а магнитная — 107. Но если включить даже малую диссипацию, на уровне 10-3 ампер — это считается вообще хорошей, маленькой диссипацией — то резонанс не выйдет», — объяснил Борис Лукьянчук.
В ходе работы российские ученые столкнулись с критикой — некоторые университеты скептически отнеслись к их расчетам. Однако Объединенный институт высоких температур РАН пригласил лабораторию для того, чтобы проверить теорию на практике. Совместно исследователи измерили магнитные поля на материалах с большой диэлектрической проницаемостью. Ученые оказались правы: такие поля можно создавать в микроволнах размером в несколько миллиметров, плохо проводящих ток. Подсвечивая лазером частицы, исследователи усиливают слабое поле в миллион раз.
В будущем лаборатория нелинейной и экстремальной нанофотоники продолжит изучение необычных эффектов. Ученые планируют не просто усилить, а самостоятельно создать магнитное поле с индукцией в несколько тысяч Тесла.