Наночастицы из кремния научили жонглировать светом

      Комментарии к записи Наночастицы из кремния научили жонглировать светом отключены

Наночастицы из кремния научили жонглировать светом

Данные исследований раскрывают возможность применения наночастиц из кремния для эластичной обработки информации в оптических линиях связи.
Коллектив физиков из МФТИ и Университета ИТМО показал возможности применения наночастиц из кремния для действенного нелинейного управления светом. Результаты работы смогут использоваться при разработке оптических устройств на базе кремниевых наночастиц с богатым функционалом, разрешающим, к примеру, пропускать, отражать либо рассеивать свет в любое выбранное направление в зависимости от его интенсивности. На их базе возможно создавать миниатюрные чипы для сверхбыстрой обработки информации в оптических оптических компьютерах и линиях связи будущего.

Нелинейные антенны

Электромагнитные волны употребляются в качестве переносчика информации в самом широком диапазоне частот  –  от радиоволн для передачи радиосигнала по воздуху до инфракрасного и видимого диапазона, применяемого в телекоммуникациях для передачи информации по оптоволокну. Для излучения, обработки и приёма таковой информации необходимы антенны – устройства, талантливые действенно излучать в определённом направлении, либо, напротив, принимать сигнал.

Для эластичной обработки поступающего сигнала обычно требуется, дабы антенна была перестраиваемой  –  иными словами, дабы ее характеристики (к примеру, диаграмму направленности) возможно было изменять в ходе работы каким-либо методом. Одним из вероятных ответов есть нелинейная антенна – т.е. такая, чьи рабочие чёрта перестраиваются под действием самого падающего излучения.

Александр Краснок, Денис Баранов, Сергей Макаров — совместная команда молодых исследователей из университета ИТМО и Столичного физтех университета.

Электромагнитная антенна в режиме (а) излучения и (б) приёма сигнала

«Особенно актуальна и в то же самое время затруднительна разработка аналогичных устройств в видимом и инфракрасном диапазоне частот, — комментирует данные исследований аспирант МФТИ, один из авторов работы Денис Баранов. — Сейчас мы можем передавать данные по оптоволокну с рекордными скоростями, до сотен Гбит/с. Но кремниевая электроника не разрешает обрабатывать данные так скоро. Создание нелинейных оптических наноантенн разрешит нам решить эту проблему и откроет дорогу к сверхбыстрой обработке оптической информации».

Кремниевые наночастицы

В работе, размещённой в ACS Photonics, с целью достижения нелинейного переключения авторы изучили диэлектрическую наноантенну – сферическую наночастицу из кремния, владеющую оптическими резонансами. Резонансы наблюдаются в сферических частицах любых размеров, наряду с этим резонансные длины волн определяются как раз размером частицы. Первый из таких резонансов, наблюдающийся для самой громадной длины волны, – магнито-дипольный резонанс.

На определённой длине волны падающий свет возбуждает в частице круговой электрический ток, подобный току, текущему по замкнутой цепи. В кремнии, из-за большого значения его коэффициента преломления, магнитно-дипольный резонанс отмечается в оптической области частот уже для наночастиц диаметром около 100 нм, что делает такие частицы привлекательными для усиления всевозможных оптических эффектов в наномасштабе. Коллектив учёных применял резонансы кремниевых наносфер для усиления комбинационного рассеяния  – об этом мы писали ранее.

Схематическая иллюстрация совокупности, изученной авторами работы. Фемтосекундный лазерный импульс возбуждает кремниевую наночастицу. Под действием замечательного лазерного излучения электроны переходят в зону проводимости кремния, изменяя оптические особенности наночастицы (амплитуду электрического и магнитного дипольного резонанса), так что частица направленно переизлучает падающий свет.

Механизмом, снабжающим нелинейное изменение черт антенны, есть генерация электронной плазмы в кремнии, (Рисунок 2). Кремний – это полупроводник, и при простых условиях его территория проводимости фактически не заселена электронами. Но, под действием замечательного и весьма маленького (~ 100 фемтосекунд, т.е.

10–13 секунды) лазерного импульса, электроны переходят в зону проводимости. Это существенно меняет свойства кремния и самой наноантенны, которая начинает переизлучать падающий свет в направлении падающего импульса. Так, запуская маленький и интенсивный импульс на частицу, возможно динамически оказывать влияние на её характеристики как антенны.

Дабы показать возможность сверхбыстрого переключения наноантенны, исследователи совершили серию опытов с массивом кремниевых наночастиц, на протяжении которых измерялось прохождение через массив замечательного маленького лазерного импульса. Авторы поняли, что коэффициент прохождения  через структуру изменяется на пара процентов в течение 100 фемтосекунд, и неспешно возвращается к собственному начальному значению.

Динамическое поведение нелинейной кремниевой наноантенны. На графике нарисовано отношение вперёд-назад (Front-to-back ratio) – т.е. отношение мощности, излучаемой антенной вперёд к мощности, излучаемой назад. Обозначенная голубым область на фоне соответствует огибающей падающего импульса.

На вставках изображена диаграмма рассеяния антенны в два разных момента времени; красные стрелки показывают направление падающего импульса.

Потом, опираясь на полученные экспериментальные эти, учёные выстроили аналитическую модель, обрисовывающую сверхбыструю нелинейную динамику разглядываемой наноантенны, релаксацию и генерацию электронной плазмы в кремнии. Модель говорит о том, что за весьма маленькое время  –  порядка 100 фемтосекунд  –  диаграмма рассеяния антенны кардинально изменяется, (Рисунок 3).

Тогда как до прихода импульса частица рассеивает приблизительно однообразное количество энергии вперёд и назад, по окончании действия маленького импульса антенна переключается в режим фактически совершенного рассеивания вперёд. Теоретические оценки, подкреплённые опытом, разрешают сделать вывод о быстродействии таковой антенны на уровне 250 Гбит/с, тогда как классическая кремниевая электроника разрешает добиться скоростей всего лишь до десятков Гбит/с для одного элемента.

Результат: это лишь начало

Авторы экспериментально продемонстрировали, что при сотрудничестве замечательного лазерного импульса с кремниевой наночастицей может происходить сверхбыстрое переключение между разными режимами рассеивания света, и выстроили аналитическую теорию, разрешающую обрисовывать такие нелинейные наноантенны.

«Результаты работы демонстрируют большой потенциал кремниевых наночастиц для на их базе сверхбыстрых оптических наноустройств. Выстроенная нами модель возможно использована для разработки и более сложных наноструктур, содержащих кремниевые частицы, каковые разрешат руководить светом совсем непривычным методом. К примеру, в будущем мы планируем не только изменять амплитуду оптического сигнала, но и поворачивать его на необходимый угол за ультракороткое время», — отмечает научный сотрудник кафедры Нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО Сергей Макаров.

Детское новогоднее видео. Подарок для Деда Мороза. Как научиться жонглировать


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: