В экспериментах по изучению квантовых свойств вещества часто используются фотоны, для работы с которыми ученым приходится использовать дорогое, сложное и громоздкое оборудование. Авторы рассматриваемой работы предлагают контролировать распространение света с помощью миниатюрного устройства, придуманного одним из участников исследования, Хольгером Хофманном (Holger Hofmann).

Учебник не слишком хорошо объяснял принципы функционирования антенн, и я, стараясь самостоятельно подготовить обучающие материалы для студентов, понял, что аналогичные зависимости должны работать и в случае наноразмерных элементов», — вспоминает исследователь.

Схема пятиэлементной антенны типа «волновой канал

Обычная антенна типа «волновой канал» состоит из расположенных параллельно металлических вибраторов: рефлектора, активного вибратора и нескольких директоров. Длина металлических конструкций и расстояние между ними выбираются в соответствии с длиной волны; наибольшую длину имеет рефлектор, наименьшую — директоры.

При переходе в наноразмерную область длина элемента теряет свою значимость: резонансная длина волны определяется его геометрической формой — соотношением длины и ширины. Для проведения эксперимента была создана антенна, составленная из трех директоров длиной 65 нм, активного вибратора размером 106 нм и 125-нанометрового рефлектора. Элементы формировались литографическим методом на стеклянной подложке, причем расстояние между активным вибратором и рефлектором составляло 125 нм, а между директорами — 150 нм.

На активный элемент исследователи подавали излучение на длине волны 662 нм, источником которого служил лазерный диод. Для того чтобы исключить воздействие лазерного диода на соседние элементы, авторы повернули активный вибратор на 45˚ относительно оси антенны и соответствующим образом поляризовали излучение.

Результаты опыта (см. диаграмму направленности «оптической антенны» ниже) оказались, по словам г-на Хофманна, даже лучше ожидаемых. При расчете антенны авторы принимали золотые наностержни за идеальные эллипсоиды, а на практике они больше походили на параллелепипеды; это, возможно, и помогло улучшить характеристики устройства.

Схема эксперимента

Диаграмма направленности антенны (красным показаны результаты измерений, синим — расчетные данные) и изображение устройства, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа

В будущем ученые планируют изготовить подобную «наноантенну» на кремниевой пластине. Развитие этой технологии может привести к созданию удобных источников одиночных фотонов, объединяющих антенны и квантовые точки.

Полная версия отчета будет опубликована в журнале Nature Photonics; препринт статьи можно скачать с сайта arXiv.