Электронная плазма превратила наночастицы кремния в идеальные антенны

Результаты исследований раскрывают возможность использования наночастиц из кремния для гибкой обработки информации в оптических линиях связи.

25 августа 2016, 11:43
<p>Фото: &copy;&nbsp;<a href="https://www.flickr.com/photos/oakridgelab/8653272552/in/photolist-ebEhsm-62mmZ-6aKtM-2dJbTo-KeYvrT" target="_blank">flickr.com/Oak Ridge National Laboratory</a></p>

Физики из Университета ИТМО и МФТИ показали, как использовать кремниевые наночастицы для эффективного управления светом. Результаты применимы для разработки  оптических устройств на основе кремниевых наночастиц – миниатюрных микросхем для сверхбыстрой обработки информации в оптических линиях связи и оптических компьютерах будущего. Соответствующая статья опубликована в журнале ACS Photonics.

Для отправки, приёма и обработки информации по оптоволокну нужны антенны – устройства, способные эффективно излучать в определённом направлении, или, наоборот, принимать сигнал. В идеале, для гибкой обработки поступающего сигнала требуется, чтобы антенна была перестраиваемой. Тогда её характеристики (например, диаграмму направленности) можно изменять прямо в процессе работы. Одно из лучших возможных решений – это нелинейная антенна, чьи рабочие характеристики перестраиваются под действием самого падающего на неё излучения. Это позволяет передающему информацию источнику менять параметры принимающей антенны "на лету".

В радиодиапазоне в решении этой задачи достигнуты определённые успехи. В случае оптоволокна это не так: здесь работают видимые волны. И здесь же параметры антенн служат "узким местом", настоящим бутылочным горлышком. Хотя учёные уже давно умеют передавать информацию по оптоволокну со скоростью в сотни гигабит в секунду, для практики это пока несущественно: кремниевая электроника на принимающей стороне не позволяет обрабатывать информацию настолько быстро. В теории, создание нелинейных оптических наноантенн позволит решить эту проблему, открыв дорогу к сверхбыстрой обработке оптической информации.

В новой работе для достижения нелинейного переключения авторы исследовали диэлектрическую наноантенну. В их случае это сферическая наночастица из кремния, обладающая оптическими резонансами. Резонансные длины волн в ней заранее задаются именно размером частицы. Первый из таких резонансов, наблюдающийся для самой большой длины волны – магнито-дипольный резонанс. На определённой длине волны падающий свет возбуждает в сферической частице круговой электрический ток, подобный току в замкнутой цепи. В кремнии магнитно-дипольный резонанс наблюдается в оптической области длин волн уже для наночастиц диаметром около 100 нм. Это делает такие частицы привлекательными для усиления всевозможных оптических эффектов в наномасштабе.

В ходе экспериментов с такой сферической наноантенной лазерный импульс длиной в одну десятитриллионную секунды возбуждал данную кремниевую наночастицу. Под действием лазерного излучения электроны в кремнии переходили в зону проводимости кремния, образуя электронную плазму, что изменяло его оптические свойства. От этого амплитуды электрического и магнитного дипольного резонанса наночастицы менялись, так что частица переизлучала падавший на неё свет в направлении входящего импульса. Таким образом, обстреливая частицу короткими и интенсивными импульсами, экспериментаторы могли динамически влиять на её характеристики как антенны.

Чтобы продемонстрировать возможность сверхбыстрого переключения наноантенны, исследователи провели серию экспериментов с массивом кремниевых наночастиц. Авторы работы обнаружили, что коэффициент прохождения через структуру меняется на несколько процентов в течение 100 фемтосекунд и постепенно возвращается к своему начальному значению. 

Опираясь на полученные экспериментальные данные, учёные построили аналитическую модель, описывающую сверхбыструю нелинейную динамику рассматриваемой наноантенны – генерацию и релаксацию электронной плазмы в кремнии. Модель показала, что за 100 фемтосекунд (10-13 секунды) диаграмма рассеяния антенны кардинально меняется. До прихода импульса частица рассеивает примерно одинаковое количество энергии и вперёд и назад. После действия короткого импульса антенна переключается в режим практически идеального рассеивания только вперёд. Теоретические оценки, подкреплённые экспериментом, позволяют сделать вывод о быстродействии такой антенны на уровне 250 гигабит в секунду. Традиционная кремниевая электроника позволяет добиться скоростей всего лишь до десятков гигабит в секунду для одного элемента.

Результаты работы демонстрируют высокий потенциал кремниевых наночастиц для создания сверхбыстрых оптических наноустройств. Построенная нами модель может быть использована для разработки и более сложных наноструктур, содержащих кремниевые частицы, которые позволят управлять светом совершенно непривычным способом. Например, в дальнейшем мы планируем не только изменять амплитуду оптического сигнала, но и поворачивать его на нужный угол за ультракороткое время
старший научный сотрудник кафедры Нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО Сергей Макаров
Авторы

Комментариев: 0

avatar
Для комментирования авторизуйтесь!
Layer 1