Совместная теоретическая работа была посвящена исследованиям так называемых «сред с потерями», в роли которых могут выступать материалы, содержащие металлические наночастицы. Практический интерес к таким материалам связан с перспективами, создания на их основе оптических переключателей с ультракоротким временным откликом, а также оптических ограничителей интенсивного лазерного излучения. Однако, потери внутри материала, как правило, гасят оптический отклик. Исследовательские группы из Сколтеха, Массачусетского Института и Йельского университета получили фундаментальные пределы оптического отклика для поглощающих систем (рисунок 1). Оптический отклик это параметр который важен при анализе эффективности оптического преобразования в материале или среде.

Профессор Сколтеха Атанасиос Полимеридис, его коллеги Оуэн Миллер и Гомер Рейд — постдоки в Массачусетском Институте, Чиа Вей Тсу — постдок в Йельском университете, Брендан Деласи — исследователь Химико-Биологического цента, Джон Джоаннополос и Мартин Сольясис — профессора физики в Массачусетском Институте, а также Стивен Джонсон — профессор математики в Массачусетском Институте опубликовали их научные результаты в журнале Optics Express.

Основным результатом работы стал расчет пределов оптического отклика систем, вне зависимости от ее геометрии, с помощью основных принципов сохранения энергии. Известно, что важной характеристикой излучения является функция локальной плотности электромагнитных состояний (local density of states, LDOS), которая является главной величиной, определяющей динамику излучения в структурированной среде. В работе были приведены расчеты для некоторых структур; однако, было продемонстрировано также, что общеизвестные границы далеки от полученных излучающих границ локальной плотности состояний, что предполагает возможность дальнейшего значительного усовершенствования существующих оптических систем. Авторы также произвели оценку такого параметра для материала с заданной восприимчивостью, как коэффициент оптического усиления, который позволяет провести полную технологическую оценку материалов с потерями на различных оптических частотах.

Стоит отметить, что профессор Полимеридис уже долгое время занимается расчетом фундаментальных оптических систем. Ключевое различие между этой работой и ранее опубликованными им работами в том, что в ней авторы находят пределы на широком диапазоне длин волн, таком, что полученные границы относятся к любой структуре любого масштаба и размера. Дополнительное преимущество предложенного авторами упрощенного подхода состоит в том, что теперь оптические отклики можно объединить как для анизотропных, так и магнитных, и/или неоднородных сред. Таким образом, теоретический подход, представленный в работе, обеспечивает осуществление более легкого расчета на различных оптических частотах, вне зависимости от заданного дизайна.