Физики обнаружили аномальный оптический нагрев материалов, не поглощающих свет
Сотрудники Института физики Казанского федерального университета (КФУ) установили, что в средах с сильной пространственной дисперсией основным механизмом оптического нагрева является рассеяние света, а не поглощение, как считалось до сих пор. Этот экспериментальный результат имеет важное значение для развития нелокальной фотоники — формирующейся области современной оптики, которая изучает взаимодействие света с пространственно-ограниченными средами.
«Взаимодействие света и вещества играет важную роль в развитии современных технологий в области оптоэлектроники, биомедицины и возобновляемой энергетики. Оптическое излучение хорошо взаимодействует с однородными средами только в условиях резонанса, в котором энергия фотона напрямую преобразуется в энергию электрона. Это явление известно как поглощение света и подчиняется закону Бугера — Ламберта — Бера. Именно поглощение приводит к фотонагреву непрозрачных однородных сред. Однако оптическое излучение плохо взаимодействует с однородными средами вне резонанса из-за рассогласования импульсов электрона и фотона», — объяснил руководитель исследования, заведующий кафедрой оптики и нанофотоники Института физики КФУ, профессор Сергей Харинцев.
Неоднородные среды, по словам ученого, содержат большое количество наноразмерных оптических неоднородностей, таких как дефекты, межфазные границы, включения, области двойникования т. д. При лазерном освещении эти неоднородности генерируют фотоны ближнего поля с увеличенными импульсами, которые участвуют в непрямых (с изменением импульса электрона) оптических переходах. В результате оптически прозрачные неоднородные (пространственно-ограниченные) среды могут нагреваться.
Чтобы объяснить это явление, исследователи предположили, что общие оптические потери в неоднородных средах возникают не только из-за прямого/непрямого поглощения, но также из-за прямого/непрямого рассеяния. В работе авторы продемонстрировали аномальный оптический нагрев пространственно-ограниченных твердых тел за счет электронного рассеяния света, которое является доминирующим механизмом взаимодействия света с веществом.
«Аномальный оптический нагрев пространственно-ограниченных сред обусловлен непрямыми оптическими переходами благодаря согласованию импульсов электрона и фотона. В то время как непрямое поглощение определяется законами сохранения энергии и импульса, непрямое рассеяние света ограничено только требованием сохранения импульса электрона», — подчеркнула соавтор работы, магистрант Института физики Элина Батталова.
Ученые отмечают, что электронное рассеяние света приводит к увеличению концентрации зарядов в зоне проводимости и, следовательно, обеспечивает увеличение показателя преломления, оптического нагрева, фотопроводимости и оптической нелинейности, что имеет важное практическое применение в оптоэлектронике для разработки белых светодиодов, безрезонаторных микролазеров, кремниевых солнечных