Сотрудникам Университета Дании удалось сжать свет в 12 раз ниже предела дифракции в диэлектрическом материале. «Хайтек» ознакомился с исследованием и рассказывает, почему это важно.
Инженеры построили диэлектрический нанорезонатор, который концентрирует свет в объеме, который в 12 раз меньше дифракционного предела.
Что такое дифракционный предел?
До недавнего времени среди физиков было широко распространено мнение, что невозможно сжать свет ниже так называемого дифракционного предела. Это минимальное значение размера пятна, которое можно получить, фокусируя электромагнитное излучение.
Исключение — использование металлических наночастиц, которые, правда, также поглощают свет. Поэтому казалось невозможным сильно сжать его в диэлектрических материалах, таких как кремний. А это ключевой материал для разработки устройств будущего. У них есть одно важное имеют важное преимущество — они не поглощают свет.
Интересно, что в 2006 году ученые теоретически доказали, что дифракционный предел не распространяется на диэлектрики. Тем не менее, никому не удалось показать это практике. Причина проста — инженерам не удавалось построить необходимую диэлектрическую наноструктуру.
Теперь сотрудникам Технического университета Дании это удалось, они построили диэлектрический нанорезонатор, который концентрирует свет в объеме, в 12 раз меньше дифракционного предела.
Что помогло ученым?
Теория дифракционного предела описывает, что свет невозможно сфокусировать в объеме, меньшем половины длины волны в оптической системе. Например, это влияет на разрешение в микроскопах. Однако наноструктуры могут состоять из элементов, намного меньших, чем длина волны. Это значит, что дифракционный предел больше не является чем-то фундаментальным.
Когда свет сжимается, он становится более интенсивным, усиливая взаимодействие между светом и материалами. В частности, диэлектрическими.
А что такое диэлектрические материалы?
Диэлектрики — это материалы, не проводящие электрического тока. Стекло, резина и пластик являются примерами диэлектрических материалов и контрастируют с металлами, которые отличаются электропроводностью. Примером диэлектрического материала является кремний, который часто используется в электронике, а также в фотонике.
В чем проблема?
Хотя компьютерные расчеты показывают, что можно концентрировать свет в бесконечно малой точке, это применимо только в теории.
В рамках нового исследования ученые использовали все имеющиеся знания о реальной фотонной нанотехнологии и ее текущих ограничениях и загрузили их в компьютер. Затем они «попросили» его найти шаблон, который собирает фотоны в беспрецедентно малой области — в оптическом нанорезонаторе. Это помогло. Устройство построили в лаборатории того же университета.
Оптические нанорезонаторы — это структуры, специально разработанные, что удерживать свет, не давая ему распространяться,. Как будто он заперт между двумя зеркалами, отбрасываясь туда-сюда. Чем ближе разместить зеркала друг к другу, тем интенсивнее становится свет между ними.
Из чего и как сделали нанорезонатор?
Для нового эксперимента физики разработали структуру в виде бабочки. Благодаря особой форме она особенно эффективно сжимает фотоны. Сам нанорезонатор изготовили из кремния.
Материал для нанорезонатора разработали в чистых помещениях университета, а шаблоны, на которых основана полость, оптимизировали и спроектировали с использованием уникального метода оптимизации топологии.
Чистое помещение — помещение, где в воздухе поддерживаются в определенном заданном диапазоне размер и число на кубический метр таких частиц, как пыль, микроорганизмы, аэрозольные частицы и химические пары. Есть специальные международные стандарты таких помещений, их чистота обеспечивается спецоборудованием.
Первоначально разработанный для проектирования мостов и крыльев самолетов, метод оптимизации использовали для нанофотонных структур.
Почему это важно?
Авторы разработки уверены, их открытие имеет решающее значение для разработки революционных технологий, которые уменьшат количество потребляющих энергию компонентов в центрах обработки данных, компьютерах, телефонах и не только.
Энергопотребление компьютеров и центров обработки данных продолжает расти, и существует потребность в более устойчивых архитектурах микросхем, потребляющих меньше энергии. Этого можно добиться заменой электрических цепей оптическими компонентами. Ученые надеются, что тут поможет «разделение труда» между светом и электронами. Все как в работе интернета, где свет используется для связи, а электроника — для обработки данных. Единственное отличие состоит в том, что обе функции должны быть встроены в один и тот же чип. Именно поэтому так важно сжать свет до того же размера, что и электронные компоненты. Эксперимент ученых показал, что это действительно возможно.
Это важный шаг к разработке более энергоэффективной технологии, например, для нанолазеров для оптических соединений в центрах обработки данных и будущих компьютерах. Однако впереди инженерам предстоит еще многое.
Что дальше?
Ученые планируют работать дальше и совершенствовать методы и материалы, чтобы найти оптимальное решение. Они уверены, что смогут создавать все более интенсивные фотоны по мере развития технологий. Авторы разработки убеждены — это только первая из серии крупных разработок в области физики и фотонных нанотехнологий, сосредоточенных на этом принципе.
Читать далее:
Археологи официально подтвердили сказания из Библии
Выяснилось, что происходит с клетками тела, когда умирает сердце
Сигнал Starlink взломали, чтобы использовать его в качестве альтернативы GPS