Исследователи из Испании и Великобритании показали, что наноантенны (устройства, основная задача которых – накапливать и фокусировать свет) могут функционировать как источники тепла в масштабах нескольких нанометров, обеспечивающие изменение оптического отклика поверхности, на которой они располагаются. Нелинейный отклик, появляющийся в таких системах, может быть использован для создания улучшенных оптических переключателей.

Рис. 1. Изображения оптических наноантенн,
полученные при помощи оптического микроскопа
и сканирующего туннельного микроскопа.

Идея антенн, используемых для приема сигналов, передающихся при помощи электромагнитных волн радиочастоты, достаточно активно последнее время применяется и в других областях электромагнитного спектра. Особенно большое внимание привлекает перспектива создания антенн оптического излучения, в том числе и видимого диапазона, что стало возможно благодаря развитию методик формирования объектов наномасштаба (ведь длина волны для эффективной работы должна быть соизмерима с длинной волны интересующего излучения). Но кроме обычной фокусировки света, оптические антенны могут использоваться для контроля взаимодействия света с поверхностью; они могли бы стать отличным инструментом для развития нанофотонных устройств будущего.

Работа наноантенн для оптического излучения основана на плазмонных модах, которые могут быть «настроены» в резонанс с частотами существующих в окружающем веществе молекулярных переходов. Подобные моды повышают «спаренность» между фотонами, испускаемыми окружающим веществом, и теми, что испускает антенна.

Новое гибридное устройство, предложенное совместной группой ученых из University of Southampton (Великобритания) и Donostia International Physics Center (Испания), работает благодаря взаимодействию между наноантенной из золота и прозрачной пленкой оксида иридия с примесью олова (indium tin oxide, ITO), на которой закреплена наноструктура. Такая антенна эффективно накапливает энергию лазерного импульса, которая затем быстро превращается в тепло (время превращения – порядка нескольких пикосекунд) и передается веществу при помощи «быстрых» электронов. Такой переход весьма эффективен благодаря хорошей проводимости между антенной и поверхностью.

Тепло, передаваемое окружающему антенну веществу, изменяет оптический отклик за счет изменения плотности свободных зарядов в пленке из оксида иридия с примесью олова. Подобные изменения влияют на «резонансную» частоту антенны, и масштаб этого влияния ученые могут измерить на своих экспериментах.

Новые устройства могут использоваться в создании новых типов интегрированных оптических цепей, в частности, там, где необходим оптический аналог обычных наноэлектронных транзисторов для обработки потока информации. Еще одно возможное применение – активный контроль нелинейных оптических процессов и исследований на базе Рамановского рассеяния (Raman scattering, SERS).

В рамках дальнейших исследований команда ищет возможности электрически контролировать разработанные устройства. Если подобная техника будет найдена, она поможет обеспечить своего рода «мост» между электронной и оптической функциональностью в рамках одного чипа.

Подробные результаты работы были опубликованы в журнале Nano Letters.