Объединенная группа российских физиков разработала концептуально новую платформу на основе гибридных металло-диэлектрических наноантенн , открывающую возможность для эффективного управления светом и сверхплотной записи информации. Новая технология открывает возможности изготовления наночипов для оптических компьютеров следующего поколения и позволяет создавать широкий спектр оптических наноустройств, локализующих, усиливающих и управляющих фотонами света.

Результаты исследований опубликованы 27 апреля в научном журнале AdvancedMaterials.

Наноантенна — устройство, способное локализовать (сжать) свободно распространяющийся световую волну до нескольких десятков нанометров. Такое сжатие раскрывает возможности для эффективного управления светом на наноуровне и позволяет рассматривать наноантенны как вариант базового элемента оптического компьютера нового поколения, использующего фотоны для обработки, хранения и передачи информации.

Попытки научного сообщества создать работоспособный планарный массив перестраиваемых гибридных наноантенн, позволяющих осуществлять направленные манипуляции со светом до последнего момента желаемых результатов не приносили. Силами объединенной группы исследователей кафедры нанофотоники и метаматериалов

Университета ИТМО, их коллег из Санкт-Петербургского академического университета и Объединенного института высоких температур в Москве удалось не только разработать технологию создания массивов гибридных наноантенн, но и продемонстрировать новую работоспособную методику высокоточной настройки отдельных наноантенн в составе таких массивов. Достичь подобного результата удалось, пройдя два последовательных этапа: используя технологию литографии и, после, избирательно воздействия на “полуфабрикат” фемтосекундным лазером.

Микрофотография процесса изменения формы золотых частиц (справа)

В ходе эксперимента ученые выяснили, что полученные гибридные наноантенны оказываются перспективны и с точки зрения оптической записи информации со сверхвысокой плотностью. И вот почему. Существующие оптические диски дают возможность записывать информацию с плотностью около 10 Гбит/кв. дюйм, т. е. один пиксель на несколько сот нанометров. Плотность записи информации с использованием полученных гибридных наноантенн примерно такая же, но в качестве дополнительного параметра информации было предложено использовать цветовые маркеры во всем видимом диапазоне. А это уже позволит значительно увеличить информационную емкость носителя.

В числе многих направлений полезного использования гибридных модифицируемых наноантенн можно назвать создание новых метаповерхностей, волноводов, а также компактных сенсоров, обеспечивающих экологический мониторинг окружающей среды. Возможности, открывающиеся благодаря разработке уже сейчас позволяют сконцентрировать внимание на осваивании новых перспективных направлений их применения.

Упрощенно «базовую» конструкцию наноантенны можно представить в виде пары наночастиц — усеченного кремниевого конуса и расположенного сверху золотого диска. Изменяя форму верхней наночастицы при помощи лазера без изменения нижней (кремниевой) можно изменять оптические свойства наноантенны практически мгновенно и в нужном направлении.

“Наша технология позволяет перестраивать оптические свойства наноантенн путем избирательного лазерного плавления золотых частиц, поскольку от интенсивности воздействия лазера зависит, останется ли золотая частица диском, превратится в «чашечку» или примет форму шара. Данная методика позволяет за доли секунды получить гибридную функциональную наноструктуру с требуемыми свойствами”, — поясняет Сергей Макаров, один из авторов разработки, заместитель заведующего Отделением диэлектрической нанофотоники кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО.

Примеры гибридных наноантенн различной формы и свойств

Принципиальное преимущество нового метода перед обычным нагревом выражается в возможности проводить настройку отдельных наноантенн в составе массива, с высокой точностью и в широких пределах управлять оптическими свойствами всей гибридной наноструктуры. “В предложенной нами концепции асимметричной гибридной наноантенны мы объединили два, как считалось прежде, альтернативных друг другу направления: плазмонику и диэлектрическую нанофотонику. Наши гибридные наноструктуры унаследовали их преимущества — локализацию и усиление света в наномасштабе, низкие оптические потери, а также возможность управления диаграммой направленности. В свою очередь, применение лазерного плавления позволяет точно и быстро менять оптические свойства таких структур и, в перспективе, записывать информацию с крайне высокой плотностью”, — заключает Дмитрий Зуев, руководитель проекта, научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО.

AdvancedMaterials

Dmitry A. Zuev, Sergey V. Makarov, Pavel A. Belov, et al., “Fabrication of Hybrid Nanostructures via Nanoscale Laser-Induced Reshaping for Advanced Light Manipulation.”