"Игры со светом" стали в последние годы достаточно модным занятием. Одно из основных направлений этой деятельности - управление поведением света в специальным образом созданных периодических структурах (фотонных кристаллах), в которых удается воспроизвести многие из эффектов, имеющих место для электронов в твердых телах. Недавно итальянские ученые наблюдали своего рода блоховские осцилляции для света в фотонных кристаллах.

Рис.1. a и b вверху - схема оптической сверхрешетки из десяти связанных микрорезонаторов, более темные полосы соответствуют слоям с бОльшим показателем преломления (и, вообще, более темный цвет соответствует большему показателю преломления); в случае b оптической толщиной слоев изменятся в направлении роста на 14 %. a и b внизу - результаты расчета энергетического спектра оптической сверхрешетки, светлыми пунктирными линиями показана границы фотонной минизоны, в случае b яркими линиями показаны смещенные друг относительно друга фотонные состояния.

На заре становления физики твердого тела Ф.Блох, рассматривая движение электрона в твердом теле в постоянном электрическом поле, обнаружил интересное следствие существования энергетических зон. В идеальном случае (в отсутствие рассеяния) электрон под действием электрического поля приобретает энергию до тех пор, пока не дойдет до верхней границы зоны Бриллюэна. В этот момент электрон останавливается, а потом начинает двигаться в противоположном направлении; энергия электрона при этом уменьшается - он "скатывается" к нижней границе энергетической зоны. Затем все повторяется - электрон вновь и вновь пробегает энергетическую зону "вверх" и "вниз". В обычном (координатном) пространстве электрон при этом, естественно, совершает осцилляции, и (в идеале) электрический ток не течет. Однако в реальности рассеяние присутствует, и для того, чтобы можно было наблюдать такие (блоховские) осцилляции, необходимо, чтобы частота осцилляций (n _B = eEd/h, где e - заряд электрона, E - напряженность электрического поля, d - длина пространственной периодичности в направлении электрического поля) и характерное время рассеяния (t  ) были связаны между собой следующим соотношением n _Bt   > 1, или, говоря другими словами, чтобы время рассеяния было больше периода осцилляций. Период осцилляций тем меньше, чем больше приложенное электрическое поле, и в обычных твердых телах требуется приложить слишком большие электрические поля, чтобы в реальности можно было наблюдать блоховские осцилляции.

Тем не менее, красивое явление не осталось "всего лишь теоретической возможностью". С развитием технологий роста твердотельных гетероструктур стало возможным получать периодические многослойные структуры (полупроводниковые сверхрешетки, см. о них в нашей статье ), в которых возникают "искусственные" (обусловленные появлением дополнительного периода в направлении роста полупроводниковой гетероструктуры) энергетические зоны, минизоны. Период сверхрешетки в обычно десятки раз превосходит межатомные расстояния, поэтому у ученых появилась надежда, что в сверхрешетках можно наблюдать блоховские осцилляции, и, в плане практических приложений, окажется возможным построить на их основе генераторы и приемники излучения в терагерцовом диапазоне. Блоховские осцилляции в совершенных полупроводниковых сверхрешетках действительно были наблюдены в начале 90-х годов прошлого века, однако в практическая реализация терагерцовых устройств на основе блоховских осцилляций в сверхрешетках оказалась несколько сложнее, чем казалось вначале.

Наряду с полупроводниковыми гетероструктурами существует другой класс искусственных структур, вызывающий большой интерес ученых в последнее десятилетие, - это так называемые фотонные кристаллы . Подобно тому как в обычных кристаллах упорядоченное расположения атомов (или периодическое чередование тонких слоев различных материалов в полупроводниковых сверхрешетках) приводит к определенному виду энергетического спектра электронов, в фотонном кристалле за счет периодического изменения показателя преломления происходит модификация закона дисперсии для фотонов и возникают разрешенные и запрещенные зоны (т.е. фотоны с определенными энергиями не могут распространяться в таких структурах). Исследование подобных структур с практической точки зрения ориентировано в значительной степени на создание оптических компьютеров.

Как ясно из вышесказанного, между свойствами электронов в обычных кристаллах (и гетероструктурах) и свойствами фотонов в фотонных кристаллах должно быть очень много общего (что и было продемонстрировано во множестве экспериментов). В частности, в фотонных кристаллах в принципе можно было бы наблюдать оптический аналог блоховских осцилляций. Подобные эксперименты и провели ученые из Европейской лаборатории нелинейной спектроскопии во Флоренции и Университета в Тренто [1]. Они исследовали серию квазиодномерных фотонных кристаллов (оптических сверхрешеток), представляющий собой десять связанных микрорезонаторов (рис.1a, вверху), образованные выращенными в определенной последовательности слоями материалов с различными показателями преломления [(ВАВАВABAB)AA(ВАВАВABAB) и т.д. - рис.1a, вверху], оптическая толщина (произведение показателя преломления n на физическую толщину слоя) которых равнялась четверти длины волны (l = 1.55 мкм). Физически слои с различными показателями преломления представляли собой пористый кремний, в котором за счет периодического изменения условий роста изменялась степень пористости, что и вызывало модуляцию показателя преломления (n = 1.4 для слоя A и n=2.1 для слоя B). Каждый микрорезонатор можно рассматривать как своего рода атом (или как квантовая яма в полупроводниковой сверхрешетке). Соответственно, вследствие взаимодействия фотонных мод в микрорезонаторах образуется фотонная минизона и электромагнитное поле в определенном диапазоне частот может распространяться в подобной структуре вдоль направления роста (рис.1а, внизу).

Рис.2. Изменение интенсивности прошедшего структуру света со временем: вверху пробный импульс в отсутствии фотонного кристалла, внизу - сигнал в случае оптических сверхрешеток с различным изменением показателя преломления вдоль структуры.

Однако наблюдать оптический аналог блоховских осцилляций в изображенной на рис.1a структуре нельзя - нужно еще каким-то образом ввести в эксперимент "аналог" постоянного электрического поля. С этой целью итальянские ученые вырастили серию структур с линейно изменяющейся в направлении роста оптической толщиной слоев (вплоть до 14 %), что должно оказывать на поведении фотонной минизоны такое же влияние, какое оказывает приложение электрического поля к полупроводниковой сверхрешетке на электронную минизону (рис.1b, внизу). В результате существования градиента оптической толщины вдоль направления роста структуры резонансная частота каждого микрорезонатора слегка отстраивается от частоты другого, хотя связь фотонных мод в различных резонаторах все-таки сохраняется. Образуется совокупность протяженных фотонных состояний, отстоящих друг от друга по энергии на D E_B (аналог штарковской лестницы в полупроводниковых сверхрешетках). В такой системе должен наблюдаться оптический аналог блоховских осцилляций с частотой D E_B/h.

Далее исследователи измеряли разрешенное по времени прохождение света через фотонный кристалл; расчеты показывали, что при изменении оптической толщины слоя вдоль структуры более чем на семь процентов должны наблюдаться осцилляции интенсивности света при прохождении пробного импульса сквозь структуру (оптический аналог блоховских осцилляций). Такое явление действительно было экспериментально зарегистрировано (рис.2), причем, как и следовало ожидать, период блоховских осцилляций уменьшался с увеличением "электрического поля".

1. Riccardo Sapienza, Paolo Constantino, Diederik Wiersma et al. Phys.Rev.Lett., v.91, 263902 (2003).

Е.Онищенко