Способ создания магнитных полей в мезоразмерных диэлектрических сферических двухслойных частицах Российский патент 2023 года по МПК G01R33/00 

Изобретение относится к способам создания магнитных полей и может быть применено в физическом эксперименте, в том числе для моделирования сверхсильных магнитных полей в космическом пространстве, моделирования астрофизических процессов в «лабораторных условиях», использовано в качестве элементов сенсоров, элементов нано-антенн и т.д.

Мезоразмерные сферические диэлектрические частицы с параметром размера Ми q=ka (где k, a соответственно волновое число и радиус сферической частицы) порядка 10 [Luk`yanchuk B., Minin I.V., Minin O.V., Wang Z. Refractive index less than two: Photonic nanojets yesterday, today and tomorrow // Optical Materials Express. 2017. Vol. 7. No. 6. P. 1820 - 1847; Minin O. V., and Minin I. V. Optical Phenomena in Mesoscale Dielectric Particles // Photonics. 2021. Vol.8. No. 12; Minin, O. V., and Minin, I. V., Optical Phenomena in Mesoscale Dielectric Particles, // Photonics, 8(12), (2021)] занимают мало исследованную нишу между наночастицами (q<1) и частицами, для которых справедлива геометрическая оптика (q~100).

Термин «мезоразмерный» как в оптике, так и акустике означает, что характерный размер диэлектрической или звукопроводящей частицы порядка длины волны используемого излучения и считается общепринятым [P.-K. Wei, H.-Li Chou, and W.-L. Chang. Diffraction-induced near-field optical images in mesoscale air–dielectric structures // J. Opt. Soc. Am. B, 20(7), 1503 (2003); Igor V. Minin, Oleg V. Minin, Yinghui Cao, Zhenyu Liu, Yuri E. Geints & Alina Karabchevsky. Optical vacuum cleaner by optomechanical manipulation of nanoparticles using nanostructured mesoscale dielectric cuboid // Scientific Reports, (2019) 9:12748; Yuuto Samura, Kazuki Horio, Vladimir Antipov, Sergey Shipilov, Aleksandr Eremeev, Oleg V. Minin, Igor V. Minin, and Shintaro Hisatake. Characterization of Mesoscopic Dielectric Cuboid Antenna at Millimeter-wave Band // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters; Eetu Lampsijärvi, Igor V. Minin, Oleg V. Minin, Joni Mäkinen, Robin Wikstedt, Edward Hæggström, Ari Salmi. Schlieren Visualization of Anisotropic Dual Slanted Plate Mesoscale Lens Action for Ultrasound // International Ultrasonics Symposium, 10-13 October 2022, Venice, Italy; Sergio Pérez-López, José Miguel Fuster, IgorV. Minin, OlegV. Minin & PilarCandelas. Tunable subwavelength ultrasound focusing in mesoscale spherical lenses using liquid mixtures // Scientific Reports (2019) 9:13363; Igor Minin, Oleg Minin. Mesoscale Acoustical Cylindrical Superlens // MATEC Web of Conferences 155, 01029 (2018), IME&T 2017; Minin I. V., Minin O. V. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit. – Springer, 2016 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; Патент РФ 2795677, Мезоразмерная кубоидная пластинчатая линза; Патент РФ 2790963, Способ фокусировки электромагнитного излучения; Патент РФ 2784213 Способ генерации резонансных мод Ми высокого порядка в мезоразмерных полостях диэлектрического материала; Патент РФ 181086. Линза] и т.д.

Диэлектрические однородные мезомасштабные частицы нашли широкое применение в различных спектральных диапазонах, но они рассматривались только в режиме формирования «фотонных струй». Однако, оказалось, что в режиме резонанса у них появляются новые и неожиданные свойства, которые могут быть использованы, например, для поверхностного усиления комбинационного рассеяния, поверхностного усиления поглощения, генерации фотонно-магнитных наноструй, разработки магнитных нанодвигателей с гигантскими магнитными полями, в различных датчиках для измерения показателя преломления, температуры, плотности и т.д.

Диэлектрические однородные сферы с определенными параметрами размера и изготовленные из материала с малыми потерями, например, стекла, кварца, фторопласта могут стимулировать гигантскую напряженность поля в сингулярностях, а затем образовывать две круглые горячие точки вокруг полюсов сферы и могут поддерживать так называемые «суперрезонансные моды» [Z. B. Wang, B. Luk’yanchuk, L. Yue, B. Yan, J. Monks, R. Dhama, O. V. Minin, I. V. Minin, S. M. Huang, and A. A. Fedyanin, High order Fano resonances and giant magnetic fields in dielectric microspheres // Scientific Reports 9, 20293 (2019); L. Yue, B. Yan, J. N. Monks, R. Dhama, C. Jiang, O. V. Minin, I. V. Minin, and Z. Wang. Full three-dimensional Poynting vector analysis of great field-intensity enhancement in a specifically sized spherical-particle // Sci Rep 9, 20224 (2019); L. Yue, Z. Wang, B. Yan, J. Monks, Y. Joya, R. Dhama, O.V. Minin, and I. V. Minin, Super-Enhancement Focusing of Teflon Spheres // Ann. Phys. (Berlin) 532, 2000373 (2020).], что отличается от других типов резонансов [Conwell, P., Barber, P., Rushforth, C. Resonant spectra of dielectric spheres // J. Opt. Soc. Am. A, 1(1), 62 (1984); P. Chýlek, J. D. Pendleton, and R. G. Pinnick, Internal and near-surface scattered field of a spherical particle at resonant conditions // Appl. Opt. 24, 3940-3942 (1985); Y. Duan, G. Barbastathis, and B. Zhang, Classical imaging theory of a microlens with super-resolution // Opt. Lett. 38, 2988-2990 (2013); S. Zhou, Y. Deng, W. Zhou, M. Yu, H. P. Urbach, Y. Wu. Effects of whispering gallery mode in microsphere super resolution imaging // Appl. Phys. B 123, 236 (2017)] в таких частицах.

Напряженность электромагнитного поля в горячих точках может на несколько порядков, примерно на 10³–10¹⁰, превышать напряженность электромагнитного поля в освещающей волне. Особенностью этого типа резонанса является то, что величина напряженности магнитного поля существенно превышает величину напряженности электрического поля в горячих точках. Наблюдаемые интенсивные магнитные резонансы связаны с вихревыми токами смещения в диэлектрике, которые приводят к возникновению магнитных диполей и возникновению отрицательной магнитной восприимчивости в области резонанса у шара.

Этот суперрезонанс связан с внутренними модами Ми высокого порядка и имеет место при определенных значениях параметра размера частиц q, показателя преломления сферической частицы, зависит от ее сферичности и т.д., которые могут быть непосредственно получены из строгой аналитической теории Ми [Mie, G. Beiträge zur optik trüber medien, speziell kolloidalermetallösungen, // Ann. Phys. 330, 3, 377-445 (1908).].

Известно, что кроме нанофотоники, многослойные сферические наночастицы применяются для лечения рака [Zhang J. Biomedicalapplicationsofshape-controlledplasmonicnanostructures: A case study of hollow gold nanospheres for photothermal ablation therapy of cancer // Journal of Physical Chemistry Letters. — 2010. — Vol. 1, no. 4. — P. 686–695; Nanoshell-mediated near-infrared thermal therapy of tumors under magnetic resonance guidance / L. Hirsch [et al.] // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. — 2003. — Vol. 100, no. 23. — P. 13549–13554.], различных методов диагностики в медицине [Allain L. R., Vo-Dinh T. Surface-enhanced Raman scattering detection of the breast cancer susceptibility gene BRCA1 using a silver-coated microarray platform // Analytica Chimica Acta. — 2002. — Vol. 469, no. 1. — P. 149–154.], повышения эффективности солнечных элементов [Kameya Y., Hanamura K. Enhancement of solar radiation absorption using nanoparticle suspension // Solar Energy. — 2011. — Vol. 85, no. 2. — P. 299– 307; A. Mann [et al.] Dielectric particle and void resonators for thin film solar cell textures // Opt. Express. — 2011. — Vol. 19, no. 25. — P. 25729–25740], разработки маскирующих субволновых покрытий видимого и микроволнового диапазонов [C.-W. Qiu [et al.] Spherical cloaking with homogeneous isotropic multilayered structures // Phys. Rev. E. — 2009. — Vol. 79, issue 4. — P. 047602; X.Wang, F.Chen, Semouchkina E. Spherical cloaking using multilayer shells of ordinary dielectrics // AIP Advances. — 2013. — Vol. 3. — P. 112111], устройств плазмоники [J. Martin [et al.] Localized surface plasmon resonances in the ultraviolet from large scale nanostructured aluminum films // Optical Materials Express. — 2013. — Vol. 3, no. 7. — P. 954–959; Alu A., Engheta N. Achieving transparency with plasmonic and metamaterial coatings // Phys.Rev.E. — 2005. — Vol. 72. — P. 016623.].

Получение сверхсильных магнитных полей в лабораторных условиях является сложной и актуальной задачей [Kolm, U. & Freeman, A. Intense magnetic fields. // Sci. Am. 212, 66 (1965); Sakharov, A. D. Magnetoimplosive generators. // Phys. Uspekhi 9, 294-304 (1966); K. Coyne, Magnets from Mini to Mighty, // Magnet Lab U (2008); Лагутин А. С., Ожогин В. Л. Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперименте. М.: Энергоатомиздат, 1988. 192 с.]. Самые сильные непрерывные магнитные поля силой 45 Тл были созданы с помощью постоянного магнита внутри сверхпроводящего магнита. Магнитные поля выше этого уровня создавались только в импульсных режимах, когда электрические токи передавались через соленоиды различной конструкции или когда магнитный поток внутри замкнутой проводящей катушки сжимался внешними силами.

Известен способ передачи энергии индуктивной нагрузки от генератора ударной мощности и устройство для его осуществления [Патент №192922 РФ, Н03К 17/64, Бюл. №6, 02.03.1967.]. Оно состоит из генератора тока, индуктивной нагрузки – соленоида, блока накопительных конденсаторов и двух контактно-вентильных коммутаторов. Генератор тока через контакт одного коммутатора соединен параллельно с конденсаторной батареей, которая через контакт второго коммутатора также соединена параллельно с соленоидом.

Известен источник импульсного магнитного поля [Патент №2331979 РФ, Н03К 17/64, Бюл. №23, 20.08.2008.], который содержит источник питания, выключатель питания, распределитель тока, блок запуска генератора тока, накопительные конденсаторы, генераторы тока, полеобразующую систему, которая включает не менее двух соленоидов и выключатель управления. Блок запуска генераторов тока выполнен на твердотельном реле.

В известных способах магнитное поле обеспечивают путем пропускания постоянного тока через обмотки катушек по проводам. Например, простое аксиально-симметричное тороидальное поле может быть создано током, протекающим по проводникам катушки, равномерно навитой на поверхность круглого тороида.

Недостатком известных способов является создание недостаточно сильных магнитных полей и невозможностью получения сильных магнитных полей в мезоразмерных диэлектрических частицах.

Известен способ генерации квазистационарного магнитного поля в кильватерном следе лазерного импульса, заключающийся в формировании короткого лазерного импульса заданной формы и большой интенсивности, облучении им докритической плазмы, проникновении лазерного импульса в плазму, появлении быстрых электронов и формировании результирующего квазистационарного дипольного магнитного поля, которое возникает из-за передачи энергии этих электронов в магнитное поле посредством электромагнитной неустойчивости [Лисейкина Т. В. Генерация магнитного поля при взаимодействии лазерного излучения с плазмой // Вычислительные технологии Том 3, № 4, 1998; Haines M. G. Magnetic field generation in laser fusion and hotelectron transport. Can. J. Phys, 64, 1986.]. Таким способом, теоретически, может быть достигнуто магнитное поле величины порядка 10⁵ Тл.

Недостатком известных способов является невозможность получения магнитных полей в мезоразмерных диэлектрических частицах.

В качестве прототипа выбран способ создания сильных магнитных полей в мезоразмерных диэлектрических частицах по патенту РФ 2795609, заключающийся в облучении сформированным монохроматическим излучением однородной сферической диэлектрической частицы, выполненной из прозрачного материала для используемого излучения и с мезоразмерным диаметром, возбуждения в частице суперрезонансных мод Ми высокого порядка и формирования горячих точек вокруг полюсов сферической частицы вдоль направления распространения излучения.

Недостатком известного способа является создание малого числа (двух) горячих точек в мезоразмерной диэлектрической сфере излучения с максимальными уровнями напряженности электрического и магнитного полей.

Задачей заявляемого технического решения является разработка способа создания магнитных полей в мезоразмерных диэлектрических двухслойных частицах.

Это достигается тем, что применяемый способ магнитных полей в мезоразмерных диэлектрических сферических двухслойных частицах, заключающийся в облучении сформированным монохроматическим излучением однородной сферической диэлектрической частицы, выполненной из прозрачного материала для используемого излучения и с мезоразмерным диаметром, возбуждения в частице суперрезонансных мод Ми высокого порядка и формирования горячих точек вокруг полюсов сферической частицы вдоль направления распространения излучения, новым является то, что мезоразмерная диэлектрическая частица выполняется двухслойной, с показателем преломления материала ядра превышающим показатель преломления материала оболочки не менее чем в 1,6 раз, а показатель преломления материала оболочки превышает показатель преломления окружающей среды и одновременного формирования горячих точек вокруг полюсов ядра и оболочки сферической частицы вдоль направления распространения излучения с максимальными уровнями напряженности электрического и магнитного полей.

Авторам неизвестны технические решения, содержащие сходные отличительные признаки и их использование для заявленной цели создания магнитных полей в мезоразмерных диэлектрических двухслойных частицах.

Из технической литературы известно, что в отличие от диэлектрических частиц с радиусом существенно меньше длины волны излучения (в которых оптические свойства обычно обусловлены, как правило, первыми тремя резонансами Ми [A. Kuznetsov, A. Miroshnichenko, M. Brongersma, Y. Kivshar, and B. Luk‘yanchuk, Optically resonant dielectric nanostructures // Science 354, 6314, aag2472 (2016); S. Kruk and Y. Kivshar, Functional metaoptics and nanophotonics governed by Mie resonances // ACS Photonics 4, 2638 (2017); N. Bonod and Y. Kivshar. All-dielectric Mie-resonant metaphotonics // C. R. Physique, 21, (4-5), 425 (2020).]), в диэлектрических частицах c размером более длины волны и до характерных размеров, где начинает работать геометрическая оптика (мезоразмерные частицы), наблюдаются резонансы Ми высокого (≥5) порядка, что приводит к специфическим оптическим явлениям, обусловленным интерференцией широкого спектра всех внутренних мод с одиночной модой внутреннего резонанса высокого порядка. В свою очередь, эти интерференционные эффекты приводят, в частности, к формированию оптических вихрей внутри частицы [X. Cai, J. Wang, M. Strain, B. Johnson-Morris, J. . Zhu, M. Sorel, J. L. O’Brien, M. Thompson, and S. Yu, Integrated Compact Optical Vortex Beam Emitters // Science 338, 363 (2012)] с характерными размерами существенно меньше дифракционного предела и к формированию двух горячих точек вокруг полюсов сферической частицы вдоль направления распространения излучения.

Сущность заявляемого способа поясняется на примере устройства, реализующего этот способ.

Функциональная схема этого устройства представлена на Фиг. 1. Диаметр сферической частицы D=2a, где a – радиус сферической частицы,

На Фиг. 2 проиллюстрирован эффект образования четырех горячих точек в двухслойной диэлектрической сфере с параметром размера q=29,8 и показателем преломления ядра N_ядра=3,0, показателя преломления оболочки N_обол=1,5 погруженной в воздух с показателем преломления n=1,0 и толщиной оболочки δ=0,8386009; (а, в) – относительные распределения интенсивностей электрического полей в различных сечения сферической частицы, (б, г) – относительные распределения интенсивностей магнитных полей в различных сечения сферической частицы, (Е₀, Н₀) амплитуды электрического и магнитного полей в освещающей сферическую частицу волне.

На Фиг. 3 приведены распределения электрических и магнитных полей в горячих точках двухслойной диэлектрической сферы, расположенной в воздухе и облучаемой электромагнитной волной равной 632,8 нм: (а) – диаметром 5 мкм (D/λ~7,9), с ядром из материала с показателем преломления равным 1,9 и показателем преломления оболочки – 1,5; (б) – диаметром 6 мкм, с ядром из материала с показателем преломления равным 2,5 и показателем преломления оболочки – 1,5; (в) – диаметром 6 мкм (D/λ~9,5), с ядром из материала с показателем преломления равным 3,0 и показателем преломления оболочки – 1,5. Формируются четыре горячие точки полюсов ядра и оболочки сферической частицы вдоль направления распространения излучения с максимальными уровнями напряженности электрического и магнитного полей.

Во всех случаях при превышении показателя преломления материала ядра более чем в 1,6 раз по сравнению с показателем преломления оболочки величина магнитного поля превышает величину электрического поля в горячих точках.

Обозначения: 1 – источник монохроматического излучения (лазер, мазер, лампа обратной волны и т.п.), 2 – формирователь электромагнитной волны с плоским волновым фронтом (рупорная антенна, линзовая антенна, зеркальная антенна), 3 – сформированное электромагнитное излучение, 4 – сферическая диэлектрическая мезоразмерная частица, 5 – ядро сферической частицы с показателем преломления N_ядра, 6 – оболочка ядра сферической диэлектрической частицы с показателем преломления N_обол , 7 – «горячие» точки в сферической частице (В на ядре, А на оболочке), 8 – зонд высокочастотного магнитного поля в ближней зоне частицы, 9 – вольтметр.

В результате проведенных исследований было установлено, что с увеличением показателя преломления материала ядра сферической диэлектрической частицы и при увеличении диаметра частицы увеличивается интенсивность электрического и магнитного полей в горячих точках.

Работа устройства происходит следующим образом. В качестве источника монохроматического когерентного электромагнитного излучения 1 может выступать, например, лазер в видимом и ИК диапазоне [Е. Гулевич, Н.Кондратюк, А. Протасеня. Перестраиваемые источники лазерного излучения УФ, видимого, ближнего и среднего ИК диапазона // Фотоника 3/2007, с.30-33], источники терагерцового и СВЧ излучения: лампа обратной волны, оротрон, генератор дифракционного излучения, диоды Ганна и т. д. [Gunn J.B. Microwave oscillation of current in III IV semiconductors. // Solid State Commun. 1963, Vol. 1, pp. 88-91; Братман В.Л. и др. Разработка вакуумных приборов терагерцового диапазона // Сб. трудов Первого рабочего совещания «Генерация и применение терагерцового излучения», Новосибирск, 24-25 ноября 2005 г., Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера, 2006 - 11-20 с.; Goutam Chattopadhyay. Technology, capabilities, and performance of low power teraherz sources // IEEE Trans. On Terahertz science and technology, 2011, vol. 1, N 1, p.33-53].

Генерация сигналов в заданном диапазоне частот и регистрация электрического сигнала от магнитного зонда от исследуемого объекта в СВЧ диапазоне может осуществляться векторным анализатором цепей ZNB-40 с рабочим дипазоном частот от 100 кГц до 40 ГГц. Плоская линейно поляризованная волна формировалась широкополосной измерительной рупорной антенной П6-123 с рабочим диапазоном частот 0,9−12 ГГц. Антенна выполнена на базе биортогонального Н-образного волновода и пирамидального квадратного рупора с ножевыми пластинами экспоненциальной формы, являющимися продолжением выступов Н-образного волновода. Возможно применение измерительной рупорной реконфигурируемой антенны П6-140X, которая предназначена для приема и передачи линейно поляризованного сигнала в диапазоне частот от 8,2 до 40 ГГц, по участкам диапазона частот: 8,2 ÷ 12,4 ГГц; 12,4 ÷ 18,0 ГГц; 18,0 ÷ 26,5 ГГц; 26,5 ÷ 40,0 ГГц.

Магнитные поля могут измеряться с помощью магнитного зонда PBS2 с рабочим диапазоном частот от 0 до 9 ГГц с диаметром кольца 6 мм [https://ferria.su/product/pbs1-pbs2/] или с помощью магнитного зонда Beehive Electronics 100B EMC Probe с внутренним диаметром кольца детектора 3,7 мм. Плоскость кольца датчика магнитного поля была направлена вдоль вектора магнитного поля и векторов электрического поля падающего микроволнового излучения и перпендикулярна волновому вектору k.

Электромагнитное излучение, сформированное источником электромагниного излучения 1, освещает формирователь электромагнитной волны с плоским волновым фронтом 2 и формирует линейно поляризованную электромагнитную волну с плоским волновым фронтом 3, облучает прозрачную сферическую диэлектрическую мезоразмерную частицу 4, состоящую из ядра сферической частицы с показателем преломления N_ядра 5, размещенного в диэлектрической оболочке 6 с показателем преломления N_обол. При этом сферическая диэлектрическая частица 4 находится в среде с показателем преломления равного 1.

Показатель преломления ядра 5 частицы 4 превышает показатель преломления оболочки не менее чем в 1,6 раз, а показатель преломления оболочки 6 превышает показатель окружающей среды.

При облучении двухслойной сферической частицы 4 электромагнитным излучением 3 в ядре 5 и оболочке 6 сферической частицы 4 могут сформироваться резонансные моды Ми высокого порядка, которые могут быть зарегистрированы приемником электромагнитного излучения 9 с помощью высокочастотного зонда 8.

В качестве приемника электромагнитного излучения 8 в оптическом диапазоне длин волн могут быть использованы, например, фотодиоды, а в терагерцовом и СВЧ диапазонах диоды Шоттки, болометры, пироприемники [Кубарев В.В. Детекторы терагерцового излучения // Сб. трудов Первого рабочего совещания «Генерация и применение терагерцового излучения», Новосибирск, 24-25 ноября 2005 г., Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера, 2006 - 35-40 с.; Техника субмиллиметровых волн. Колл. авторов под ред. Р.А. Валитова - М.: Советское радио, 1969, 480 с.].

В результате проведенных исследований оказалось, что в случае, когда мезоразмерная диэлектрическая частица 4 выполняется двухслойной, с показателем преломления материала ядра 5 превышающим показатель преломления материала оболочки 6 не менее чем в 1,6 раз, а показатель преломления материала оболочки 6 превышает показатель преломления окружающей среды и одновременного формирования горячих точек вокруг полюсов ядра 5 и оболочки 6 сферической частицы 4 вдоль направления распространения излучения с максимальными уровнями напряженности электрического и магнитного полей. При этих условиях возникает эффект суперрезонанса и диэлектрические двухслойные сферы с определенными параметрами размера и изготовленные из материала с малыми потерями, например, стекла, кварца, фторопласта могут стимулировать гигантскую напряженность поля в сингулярностях, а затем образовывать по две горячие точки 7 вокруг полюсов ядра 5 и оболочки 6 и могут поддерживать так называемые «суперрезонансные моды». Особенностью этого типа резонанса является то, что величина напряженности магнитного поля существенно превышает величину напряженности электрического поля в горячих точках.

Известно обобщение теории Ми для однородной сферы на случай многослойных частиц сферической формы, полученное с использованием надлежащих граничных условий в ряде работ. С начала в [Aden A.L., Kerker M. Scattering of Electromagnetic Waves from Two Concentric Spheres // J. Appl. Phys. – 1951. – Vol. 22. – No. 10. – P. 1242-1246; Gu¨ttler A. Mie’s theory of diffraction by dielectric spheres with absorbing cores, and its significance for problems of interstellar matter and of the atmospheric aerosol // Ann. Phys. (Leipzig). – 1952. – Vol. 11. – P. 65-98; Suzuki H., Sandy Lee I.-Y. Mie scattering field inside and near a coated sphere: Computation and biomedical applications // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. — 2013. — Vol. 126. — P. 56–60; Bashevoy M. V., Fedotov V. A., Zheludev N. I. Optical whirlpool on an absorbing metallic nanoparticle // Opt. Express. — 2005. — Vol. 13, no. 21. — P. 8372– 8379] стандартная теория Ми была распространена на случай частиц с одним дополнительным внешним слоем. Обобщение на произвольное число слоев было выполнено в [Bhandari R. Scattering coefficients for a multilayered sphere: analytic expressions and algorithms // Appl. Opt. – 1985. – Vol. 24. – No. 13. – P. 1960-1967.] с использованием матричного формализма и в [Sinzig J., Quinten M. Scattering and absorption by spherical multilayer particles // Appl. Phys. A. – 1994. – Vol. 58. – No. 2. – P. 157-162.] на основе рекуррентных соотношений для коэффициентов рассеяния света многослойной сферической частицей. Эта теория была обобщена на случай многослойной сферы с произвольным числом слоёв [Yang W. Improved recursive algorithm for light scattering by a multilayered sphere // Applied Optics. — 2003. — Vol. 42, no. 9. — P. 1710–1720; Peña O., Pal U. Scattering of electromagnetic radiation by a multilayered sphere // Computer Physics Communications. — 2009. — Vol. 180, no. 11. — P. 2348–2354; K. Ladutenko, U. Pal, A. Rivera, O. Peña-Rodríguez Mie calculation of electromagnetic near-field for a multilayered sphere // Computer Physics Communications. — 2017. — Vol. 214. — P. 225–230.].

В результате проведенных численных экспериментов на основе теории Ми установлено, что интенсивность электрического и магнитного полей внутри двухслойной сферической диэлектрической частицы зависит от показателей преломления материала ядра и оболочки и изменением относительного показателя преломления материала ядра и оболочки сферической частицы можно достичь условия появления суперрезонансных мод Ми с максимальным уровнем напряженности электрического и магнитных полей в горячих точках.

При исследовании двухслойной диэлектрической сферы расположенной в воздухе и с диаметром 5 мкм (D/λ~7,9) и ее облучении электромагнитной волной на длине волны 632,8 нм с плоским фронтом, при ее ядре выполненного из материала с показателем преломления равного 1,9 и показателем преломления оболочки равного 1,5 было получено, что возникает резонанс Ми на ядре и оболочке и в области горячих точек на оболочке электрическое и магнитное поля больше электрического и магнитного полей в горячих точках на ядре. Интенсивность электрического поля превышает интенсивность магнитного поля в горячих точках на оболочке в 1,3 раза и на ядре в 3 раза.

При исследовании двухслойной диэлектрической сферы расположенной в воздухе и с диаметром 6 мкм (D/λ~9,5) и ее облучении электромагнитной волной на длине волны 632,8 нм с плоским фронтом, при ее ядре выполненного из материала с показателем преломления равного 2,5 и показателем преломления оболочки равного 1,5 было получено, что возникает суперрезонанс на ядре и оболочке и в области горячих точек на ядре электрическое и магнитное поля больше электрического и магнитного полей в горячих точках на оболочке. Интенсивность магнитного поля превышает интенсивность электрического поля в горячих точках на ядре в 18 раз и на оболочке в 1,3 раза.

При исследовании двухслойной диэлектрической сферы расположенной в воздухе и с диаметром 6 мкм (D/λ~9,5) и ее облучении электромагнитной волной на длине волны 632,8 нм с плоским фронтом, при ее ядре выполненного из материала с показателем преломления равного 3,0 и показателем преломления оболочки равного 1,5 было получено, что возникает суперрезонанс на ядре и оболочке и в области горячих точек на ядре электрическое и магнитное поля больше электрического и магнитного полей в горячих точках на оболочке. Интенсивность магнитного поля превышает интенсивность электрического поля в горячих точках на ядре в 15 раз и на оболочке в 1,8 раза. При этом максимальная интенсивность магнитного и электрических полей в горячих точках превышает интенсивность магнитного и электрического полей в освещающей волне в 10³–10⁴ раз для рассматриваемых примеров.

В оптическом диапазоне длин волн в качестве материала ядра и оболочки сферической частицы могут использоваться различные полимеры и стекла, прозрачные для излучения [Kong S.-C., Tafl ove A. & Backman V. Quasi one-dimensional lifht beam generated by a graded-index microsphere // Opt. Express. 2009 Vol. 17, Is s. 5 P. 3722–3731. DOI: 10.1364/oe.18.003722.]. Известна реализация микросфер состоящих из 5, 10 или 100 различных концентрических оболочек, изготовленных по технологии приведенной в работе [E. Prodan, C. Radloff, N. J. Halas, and P. Nordlander, A hybridization model for the plasmon response of complex nanostructures // Science 302, 419-422 (2003).]. Показатели преломления от 1,4 до 1,9 можно получить из различных доступных стекол [O. V. Mazurin, M. V. Streltsina, and T. P. Shvaiko-Shavaikovskaya, Handbook of Glass Data (Elsevier, Amsterdam, 1993). ].

В качестве диэлектриков с различными величинами показателя преломления в СВЧ и КВЧ диапазонах могут использоваться, в зависимости от используемого спектрального диапазона, различные стекла, полимеры [Молотков Н.Я., Ломакина О.В., Егоров А.А. Оптика и квазиоптика СВЧ / Тамбов: Изд-во Тамб. Гос. Техн. Ун-та, 2009. – 380 с.], например, полиэтилен, полипропилен, политетраметилпентен, полистирол, фторопласт и т.д., керамика, композиционные материалы, искусственные материалы, и т.д.

Например, полистирол имеет показатель преломления материала 1,59 в диапазоне от 0,6 до 30 мм, полиэтилен 1,51–1,52, полипропилен 1,51, ТРХ 1,46, фторопласт 4 - 1,44, плавленый кварц 1,95–2,00, кремний 3,41, германий 4,0, арсенид галлия 3,6, керамика AL₂O₃ 3,03, ферриты: 1С44 3,62, 10 СЧ46 3,9 [Minin O.V., Minin I.V. Diffractional optics of millimeter waves.-Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing, 2004. – 396 p. ] и т.д. Перспективно использование композиционных материалов. Композиционным материалом, или композитом, называют объемную гетерогенную систему, состоящую из сильно различающихся по свойствам, взаимно нерастворимых компонентов, например, связующий материал-матрицу, в качестве которой используют, полимеры, эластомеры, смолы и т.д. и второй компонент – наполнитель в виде порошков различных материалов [Е. Е. Чигряй, И. П. Никитин. Свойства композита полистирол-рутил на миллиметровых волнах // Журнал Радиоэлектроники, N9, 2018, DOI 10.30898/1684-1719.2018.9.20]. Так, например, в качестве первого компонента может использоваться полистирол с удельным весом ρ = 1,06 кг/м³. В диапазоне частот от 70 ГГц до 300 ГГц диэлектрическая проницаемость полистирола остается постоянной и равна ε~ 2,523 ± 0,5%, а в качестве второго компонента рутил (TiO2), который имеет показатель преломления n = 9,4 (изменение n в диапазоне частот 180-600 ГГц составляет менее 0,1). Потери составляют от 1,5 дБ/мм на частоте 210 ГГц до 6,0 дБ/мм на частоте 450 ГГц, увеличиваясь пропорционально квадрату частоты. На частоте 70 ГГц потери составляют 1,7 дБ/см.

В результате проведенных численных экспериментов на основе теории Ми установлено, что интенсивность электрического и магнитного полей внутри двухслойной сферической диэлектрической частицы зависит от показателей преломления материалов ядра и оболочки и можно достичь условия появления суперрезонансных мод Ми с максимальным уровнем напряженности электрического и магнитных полей в горячих точках одновременно на ядре и оболочке.

Изобретение относится к способу создания магнитных полей и может быть применено в физическом эксперименте. Способ включает облучение монохроматическим излучением однородной сферической диэлектрической частицы, выполненной из прозрачного материала и с мезоразмерным диаметром, возбуждение в частице суперрезонансных мод Ми высокого порядка и формирование горячих точек вокруг полюсов сферической частицы вдоль направления распространения излучения, причем для этого используется двухслойная мезоразмерная диэлектрическая частица с показателем преломления материала ядра, превышающим показатель преломления материала оболочки не менее чем в 1,6 раз, а показатель преломления материала оболочки превышает показатель преломления окружающей среды, при одновременном формировании горячих точек вокруг полюсов ядра и оболочки сферической частицы вдоль направления распространения излучения с максимальными уровнями напряженности электрического и магнитного полей. Техническим результатом является создание сильных магнитных полей в мезоразмерных диэлектрических двухслойных частицах. 3 ил.

Способ создания магнитных полей в мезоразмерных диэлектрических сферических двухслойных частицах, заключающийся в облучении сформированным монохроматическим излучением однородной сферической диэлектрической частицы, выполненной из прозрачного материала для используемого излучения и с мезоразмерным диаметром, возбуждении в частице суперрезонансных мод Ми высокого порядка и формировании горячих точек вокруг полюсов сферической частицы вдоль направления распространения излучения, отличающийся тем, что мезоразмерная диэлектрическая частица выполняется двухслойной с показателем преломления материала ядра, превышающим показатель преломления материала оболочки не менее чем в 1,6 раз, а показатель преломления материала оболочки превышает показатель преломления окружающей среды, при одновременном формировании горячих точек вокруг полюсов ядра и оболочки сферической частицы вдоль направления распространения излучения с максимальными уровнями напряженности электрического и магнитного полей.