Для обработки информации, передаваемой посредством электромагнитных волн необходимы специальные антенны — устройства, способные эффективно излучать или, наоборот, принимать сигнал. Но для того, чтобы этот процесс был максимально эффективным, антенны должны быть перестраиваемыми — то есть их характеристики должны поддаваться точной настройке. Отсутствие механизма подобного перестраивания тормозило как фотонику, так и электротехнику.
«Особенно актуальна и в то же самое время затруднительна разработка подобных антенн в видимом и инфракрасном диапазоне частот. Сегодня мы умеем передавать информацию по оптоволокну с рекордными скоростями, до сотен Гбит/с. Однако кремниевая электроника не позволяет обрабатывать информацию настолько быстро. Создание нелинейных оптических наноантенн позволит нам решить эту проблему и откроет дорогу к сверхбыстрой обработке оптической информации», — рассказал аспирант МФТИ, один из авторов работы Денис Баранов.
В работе, опубликованной в ACS Photonics, для достижения нелинейного переключения авторы исследовали диэлектрическую наноантенну — сферическую наночастицу из обычного кремния, обладающую оптическими резонансами. В нее изначально заложено изменение свойств в зависимости от получаемого и излучаемого сигнала. Таким образом осуществляется ее нелинейная настройка. Использование частиц диаметром около 100 нм также позволяет усиливать всевозможные оптические эффекты в наномасштабе.
Ученые нашли способ очистки углеродных нанотрубок
Кейсы
Механизмом, обеспечивающим нелинейное изменение характеристик антенны, является генерация электронной плазмы в кремнии. Кремний — это полупроводник, и при обычных условиях его зона проводимости практически не заселена электронами. Однако, под воздействием мощного и очень короткого (~ 100 фемтосекунд, т.е. 10-13 секунды) лазерного импульса, электроны переходят в зону проводимости. Это и меняет свойства кремния и самой наноантенны, которая начинает переизлучать падающий свет в направлении падающего импульса. Таким образом, запуская короткий и интенсивный импульс на частицу, можно динамически влиять на её характеристики как антенны.
Как показали эксперименты, изменение характеристик не является необратимым и постоянным — наночастица возвращалась в исходное состояние примерно через 100 фемтосекунд (10 в минус 15 степени секунды), что позволяет использовать подобные структуры в качестве базы для сверхбыстрых систем связи, в десятки раз превосходящих существующие сегодня системы оптоволоконного обмена информации. Кроме того, ее можно использовать также в качестве основы для световых вычислительных приборов.