Ученые наблюдали множество интересных явлений, связанных с взаимодействием света с металлическими пленками. К примеру, наноструктурированные металлические пленки могут локализовать оптические поля в объеме пространства, геометрические размеры которого много меньше длины волны излучения.
Кроме того, наноструктуры могут превратить металл в оптическую антенну, что позволяет направлять фотоны в необходимом направлении, усиливая локальные электромагнитные поля. Известно, что оба этих свойства металлических поверхностей (локализация и усиление электромагнитных полей) обусловлены так называемым поверхностным плазмонным резонансом (резонансом коллективных колебаний свободных электронов у поверхности металла и падающей световой волны). И эти свойства уже были успешно применены в некоторых практических приложениях, в частности, в модификациях приборов для исследования молекул при помощи комбинационного рассеяния, а также для поглощения энергии солнца.
Но, несмотря на эти успехи на практике, в теории влияние поверхностных плазмонов на оптические процессы все еще вызывает массу вопросов, в особенности это касается нелинейных процессов, в которых участвуют два и более фотонов.
Теоретически поверхностные плазмоны могут быть как простым «катализатором» нелинейных оптических процессов (просто увеличивая скорость, с которой происходит взаимодействие), так и принимать непосредственное участие в этих процессах вместе с фотонами или другими плазмонами.
Ответ на относительно старый вопрос о роли плазмонов в нелинейных оптических процессах нашли ученые из Berlin Institute of Technology (Германия). В своем эксперименте (результаты которого были опубликованы в журнале Physical Review Letters ученые показали, что
поверхностные плазмоны не просто изменяют фотонное взаимодействие, а также сами взаимодействуют с другими плазмонами, превращаясь в исходящие фотоны.
Новые знания о нелинейных оптических процессах, полученные учеными в ходе экспериментов, теоретически могут породить множество интересных практических приложений.
Возможно, это позволит повысить эффективность солнечных батарей до 30% или даже 44%. Также понимание взаимодействий между фотонами и плазмонами в будущем может обернуться развитием наноразмерных источников когерентного излучения, необходимых для микроскопии и спектроскопии.
Хотя речь в опубликованной работе идет лишь о генерации второй гармоники при отражении света от металлической поверхности, предложенные учеными эксперименты позволят продолжить исследования всего спектра нелинейных взаимодействий. Дальнейшая работа может дать фундаментальные представления о механизме поверхностно-усиленного рамановского рассеяния. Кроме того, подобные знания позволят в будущем повысить эффективность нелинейных процессов за счет плазмон-плазмонного взаимодействия.
