Физики из МФТИ и Университета ИТМО продемонстрировал перспективы использования наночастиц из кремния для эффективного нелинейного управления светом. Исследование положит основу созданию миниатюрных чипов для сверхбыстрой обработки информации в оптических линиях связи и оптических компьютерах будущего. Статья опубликована в журнале ACS Photonics.
Для достижения нелинейного переключения авторы исследовали диэлектрическую наноантенну — сферическую наночастицу из кремния, обладающую оптическими резонансами. В кремнии, из-за высокого значения его коэффициента преломления, магнитно-дипольный резонанс наблюдается в оптической области частот уже для наночастиц диаметром около 100 нм, что делает такие частицы привлекательными для усиления всевозможных оптических эффектов в наномасштабе.
Под воздействием мощного и очень короткого (~ 100 фемтосекунд, т.е. 10-13 секунды) лазерного импульса, электроны в кремнии переходят в зону проводимости. Это значительно меняет свойства кремния и самой наноантенны, которая начинает переизлучать падающий свет в направлении падающего импульса. Таким образом, запуская короткий и интенсивный импульс на частицу, ученые получили возможность динамически влиять на ее характеристики как антенны.
Чтобы продемонстрировать возможность сверхбыстрого переключения наноантенны, исследователи провели серию экспериментов с массивом кремниевых наночастиц, в ходе которых измерялось прохождение через массив мощного короткого лазерного импульса. Они показали, что при взаимодействии мощного лазерного импульса с кремниевой наночастицей может происходить сверхбыстрое переключение между различными режимами рассеивания света, и построили аналитическую теорию, позволяющую описывать такие нелинейные наноантенны.
«Результаты работы демонстрируют высокий потенциал кремниевых наночастиц для создания на их основе 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», — сказал Сергей Макаров, старший научный сотрудник кафедры Нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО и один из авторов работы.
[На фотографии: совместная команда молодых ученых из Университета ИТМО и Московского физико-технического института — Александр Краснов, Университет ИТМО, Денис Баранов, МФТИ, Сергей Макаров, Университет ИТМО]
