;
Кейсы 23 июня 2022

Интернет в разы быстрее: как наночастицы начали управлять потоками света

Далее

Авторы нового исследования смогли управлять тем, как свет проходил сквозь наночастицы. В результате свет создавал два непохожих изображения на разных сторонах одного экрана. Такую нелинейную оптику можно использовать в вычислительной технике, чтобы увеличить скорость интернета в разы.

Управлять светом и наночастицами, чтобы показывать разные картинки, а потом и передавать другие данные со сверхвысокой скоростью — всем этим занимались авторы новой работы. 


Главное о новой работе ученых

Чтобы понять, что именно сделали исследователи, подумайте об окне. На одной его стороне выгравировано изображение, но с другой стороны картинка совсем другая. 

Такое может показаться невозможным, но, по сути, именно такие результаты получили ученые из национального университета в Австралии (ANU). Команда разработала мельчайшие полупрозрачные наночастицы, на которых видно два разных изображения, если посмотреть с разных сторон.

Во время одного из экспериментов ученые сделали слайд, где одновременно был изображен австралийский континент и оперный театр в Сиднее. 

Слайд, который показывает две картинки одновременно

Область, которой занимаются ученые, называется нелинейная оптика. Открытия в этой сфере можно использовать, чтобы улучшить фотонные вычисления — это вычисления, где для передачи данных используется видимый или инфракрасный свет, а не ток. 

Как это работает?

Обычно свет двигается одинаково сквозь один и тот же матриал, например, через стекло или воду. 

Исследователи решили поменять этот процесс и разработали мельчайшие стекла, которые покрыты наночастицами в форме цилиндров. Чтобы понять масштаб, представьте, что 12 000 таких частиц могут поместиться в поперечном сечении человеческого волоса.

Эти наночастицы управляли потоком света, как дорожные знаки, которые дают направление движению, объясняет физик Сергей Крук.

Схематичное изображение того, как проходит свет

«Мы смогли внести асимметрию в способ распространения света. Поэтому когда он распространяется вперед/назад, мы получаем совершенно разные результаты», — сказал он.

Авторы работы называют эти «дорожные знаки» нелинейными диэлектрическими резонаторами.

Наночастицы в форме цилиндров сделали из двух слоев кремния и нитрида кремния. Каждый слой имел разный показатель преломления. Это значит, что свет проходил через каждую среду по-разному. 

Наночастицы можно разместить так, чтобы они светились или были темными, когда свет проходит через них вперед или назад. Это похоже на мельчайшие пиксели, которые или горят, или не горят. Авторы сделали из них узор, который вместе выглядел как единая картина.

«Обычно изображения состоят из отдельных пикселей. И мы можем собрать эти пиксели в любые узоры, которые вам нравятся», — сказал Крук.

Бенджамин Эгглтон, директор института нанотехнологий в Сиднее, назвал это исследование серьезным результатом. Это, по его словам, важная физика, которую можно использовать в разных приложениях. Самым очевидным применением, считает он, обладают нанофотонные компоненты для вычислительной техники.

Ключевой элемент электронных вычислений и сложной архитектуры микрочипов — диод. Он позволяет току течь только в одном направлении. В фотонике или вычислениях на основе света вместо диода используют изолятор.

По словам профессора Эгглтона, сегодня изоляторы очень громоздкие и сложные в производстве, но работа ученых из ANU может привести к созданию маленьких и простых конструкций. 

Фотонные схемы, или оптические вычисления называют будущим вычислительной техники. Их можно сделать меньше по сравнению с электронными, а также они работают на более высоких скоростях, потребляют меньше энергии и выделяют меньше тепла.

Многие глобальные компании, которые занимаются квантовыми компьютерами, полагаются на фотонные схемы, отмечает Эгглтон.

А что насчет интернета?

Также есть мнение, что новая технология поможет сделать интернет быстрее и дешевле. Доктор Лей Ван из Юго-восточного университета в Китае сказал: «хотя цель этих изображений в основном художественная, они демонстрируют потенциал этой новой технологии.

«В реальных приложениях эти наночастицы могут быть собраны в сложные системы, которые будут эффективно управлять потоком света — например, в коммуникационной инфраструктуре следующего поколения».

По словам доктора Крука, способность контролировать поток света на наноуровне гарантирует, что свет «будет идти туда, куда должен идти, и не пойдет туда, куда не должен идти». Благодаря этому можно создать более быстрое интернет-соединение, для обслуживания которого нужно меньше электричества, отмечает команда.

Например, в 2020 году ученые создали фотонную схему, которая передает по оптоволокну 44,2 терабита данных за секунду на расстояние 76 км. Это примерно в 1 млн раз быстрее по сравнению со средней скоростью широкополосной загрузки. 

Крук считает, что сегодня физики только начали понимать то, как интенсивный свет влияет на структуру материалов на наноуровне.

«Сегодня ученые невероятно преуспели в управлении электрическим током, но мы пока что мало знаем об управлении лучами света. Это исследование, возможно, первый важный шаг на пути к созданию сложного устройства для управления движением лучей света. Это похоже на устройства середины XX века, которые управляли движением электрических токов», — подытожил Крук. 

Читать далее:

Юная звезда «спрятала» то, что изменило представление ученых о Вселенной. Главное

Недалеко от Земли нашли две планеты, которые очень похожи на нашу

Физики создали атомный лазер, который может работать вечно