Обычно поляризацию контролируют с помощью волновых пластинок и поляризаторов, но в наномасштабе такие методы сталкиваются с трудностями. Например, фотоны из оптического нанорезонатора можно фильтровать, но при этом теряется значительная часть излучения. К тому же, фильтрация не меняет саму поляризацию моды резонатора и не влияет на его связь с квантовыми излучателями внутри. Гораздо эффективнее было бы сразу создать резонатор с полностью управляемой поляризацией.

Результаты опубликованы в издании Light Science & Applications.

До сих пор ученые в основном изучали контроль энергии и профиля мод в одиночных нанорезонаторах. Однако из-за нарушения симметрии фотоны из таких резонаторов обычно имеют линейную поляризацию. Решение нашли в фотонных молекулах — системах из связанных нанорезонаторов. Когда два резонатора сближаются, их моды взаимодействуют, образуя гибридные супермоды с разными энергиями, как в двухатомных молекулах. Такая связь дает новые степени свободы: меняя параметры системы, можно управлять энергией и фазой фотонов. Это открывает перспективы для квантовой оптики и создания компактных фотонных устройств.

Группа ученых под руководством профессора Сюй Сюлай из Пекинского университета добилась полного контроля поляризации с помощью фотонных молекул из двух связанных фотонно-кристаллических нанолучей. Связь между резонаторами зависит от двух параметров: зазора *d* и смещения *s*. При их изменении формируются симметричная (S) и антисимметричная (AS) моды — в зависимости от того, совпадают или противоположны фазы их электрических полей.

Обычно энергии S и AS мод описываются простой моделью с симметричным расщеплением, но при сильной связи (малом зазоре) проявляются неэрмитовы эффекты. Например, S-мода резко смещается в красную область, а AS-мода почти не меняется. Кроме того, возникает дополнительный фазовый сдвиг, что указывает на сложную природу этих мод — они формируются за счет туннелирования эванесцентных волн.

Именно эванесцентные волны позволяют управлять поляризацией. На ультрамалых расстояниях (меньше длины волны) они создают фазовый сдвиг между компонентами электрического поля, что меняет поляризацию AS-моды от линейной до круговой.

Почему это важно? Обычные поляризационные фильтры работают постфактум — они отсеивают уже испущенные фотоны, что ведет к потерям. В фотонных молекулах поляризация задается на уровне самой моды резонатора, а излучатели встроены прямо в него. Это значит, можно напрямую управлять оптическим полем, которое взаимодействует с квантовыми точками или атомами, что критично для спиновой квантовой электродинамики. Кроме того, эванесцентные волны открывают путь к контролю импульса фотонов и других параметров.

Этот метод позволяет:

• Избежать потерь фотонов — поляризация задается на уровне моды, а не фильтруется после излучения.
• Интегрировать управление в наноустройства без громоздких оптических элементов.
• Контролировать спиновые состояния в квантовых точках, что важно для квантовых вычислений.
• Создавать компактные чипы для квантовой связи и сенсоров.

И хотя метод эффективен, он требует юстировки нанометровых зазоров с высокой точностью. В реальных устройствах вибрации и тепловые шумы могут нарушить связь между резонаторами, что усложнит применение вне лаборатории.

Ранее ученые разработали нанолинзу для точной манипуляции световым пучком.