Оценив оптические свойства модифицированной наночастицами никеля подложки диоксида кремния, учёные Института физики им. Л. В. Киренского, Сибирского федерального университета, Казанского физико-технического института им. Е. К. Завойского и Казанского (Приволжского) федерального университета обнаружили, что концентрация никеля существенно влияет на оптические свойства материала. Это открытие будет полезным для создания высокоскоростных оптических устройств.

Увеличивающиеся потребности в вычислительных мощностях, обмене данными и скорости передачи информации заставляют учёных искать альтернативные способы обработки информации. Возможно, в скором времени вместо электронных микросхем будут использоваться кристаллы, в которых электроны полностью заменятся фотонами – светом.

Такой подход имеет явные преимущества: используя фотонные интегральные схемы, мы сможем существенно увеличить быстродействие, объёмы обрабатываемой информации, а также снизить выделение тепла вычислительными устройствами.

Для того чтобы в фотонике стали активно применяться новые материалы, необходимо,

• во-первых, минимизировать затраты, связанные с их производством, – желательно, чтобы они создавались на базе существующих технологий;
• во-вторых, полученные материалы должны обладать требуемыми и изменяемыми оптическими свойствами.

В качестве параметра, способного менять оптические свойства материала, исследователи нередко используют магнитное поле. При прохождении линейно-поляризованного света через прозрачное вещество, находящееся в магнитном поле, происходит поворот плоскости поляризации света на угол, пропорциональный напряжённости поля. Изменяя поляризацию, то есть ориентацию электромагнитного поля света, можно эффективно управлять световым потоком. Этот эффект можно использовать для создания различных вычислительных элементов, работающих на фотонах.

Группа российских исследователей в качестве материала, обладающего высокими магнитооптическими свойствами, предложила использовать композит с наночастицами никеля. Матрицей композита служила подложка оксида кремния. Эту подложку исследователи бомбардировали ионами никеля, в результате чего на глубине 10–15 нм образовывались наночастицы металла размером от 2 до 16 нм.

Чтобы оценить оптические свойства подложки диоксида кремния, учёные изготавливали несколько видов подложек, полученных при разных интенсивностях бомбардировки никелем, сравнивали их между собой, а также с обычной плёнкой никеля. Затем они пропускали свет различной частоты через эти образцы, находящиеся в магнитном поле, и измеряли поворот вектора поляризации. В результате исследований зависимостей угла поворота от частоты падающего света учёные пришли к выводу, что магнитооптические свойства композитов существенно отличаются от свойств обычной плёнки. Кроме этого, свойства нового материала также менялись в зависимости от концентрации наночастиц в подложке.

Таким образом, мы имеем возможность регулировать оптические свойства материала посредством изменения концентрации никеля.

Учёные пришли к выводу, что за изменение оптических свойств композита по сравнению с обычной плёнкой никеля отвечают поверхностные плазмоны, то есть кванты колебаний электронного газа в проводниках. Эти колебания обладают собственной частотой, которая играет существенную роль в оптических свойствах металлов. Свет с частотой ниже плазмонной частоты будет отражаться, в то время как свет с частотой выше плазмонной будет проходить внутрь твёрдого тела. Эта частота у большинства массивных металлов находится в ультрафиолетовой области спектра, поэтому металлы блестят в видимом диапазоне. Однако у наночастиц, по причине очень малого размера, плазмонная частота смещается, что вызывает изменение светопоглощающих и магнитооптических свойств материала. Меняя концентрацию никеля в диоксиде кремния можно контролировать эти изменения и создавать новые материалы для оптической вычислительной техники.

Представленный учёными метод создания магнитооптического материала с экономической точки зрения выглядит довольно привлекательно. Получение подложки оксида кремния и метод ионной имплантации металлов в подложку являются хорошо отработанными технологиями при производстве электронных микросхем. Поэтому изготовление нового устройства на базе старых технологий не будет высокозатратным.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России».

Источник информации:

И. С. Эдельман, Д. А. Петров, Р. Д. Иванцов, С. М. Жарков, Р. И. Хайбуллин, В. Ф. Валеев, В. И. Нуждин, А. Л. Степанов Микроструктура и магнитооптика оксида кремния с имплантированными наноразмерными частицами никеля. – Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2011. – том 140. – вып. 6 (12).