Ученые из Университета ИТМО, Санкт-Петербургского академического университета и Объединенного института высоких температур РАН разработали новую платформу для эффективного управления светом на наноуровне и оптической записи информации на основе гибридных металло-диэлектрических наноантенн. Технология позволит ускорить изготовление наночипов для оптических компьютеров нового поколения, а также сделает возможным создание широкого класса оптических наноустройств, локализующих, усиливающих и управляющих светом в наномасштабе. Статья опубликована в журнале Advanced Materials.

Исследователи разработали методику создания массивов гибридных наноантенн и высокоточной настройки отдельных наноантенн в составе массива. Достичь этого удалось путем последовательного проведения двух этапов: литографии и избирательного воздействия на «полуфабрикат» фемтосекундным лазером — лазером сверхкоротких импульсов. Наноантенна — устройство, превращающее свободно распространяющийся свет в сильно локализованный (сжатый в несколько десятков нанометров).

Полученные наноантенны состоят из двух компонентов: усеченного кремниевого конуса и расположенного на нем золотого диска. Ученые показали, что при помощи наномасштабного лазерного плавления можно с высокой точностью изменять форму золотой частицы, не затрагивая кремниевую. Причем при изменении формы только золотой частицы также изменяются оптические свойства наноантенны в целом, так как достигается различная степень наложения резонансов кремниевой и золотой наночастиц в составе наноантенны.

Преимущество нового метода перед обычным нагревом — в возможности проводить настройку отдельных наноантенн в составе массива и с высокой точностью управлять оптическими свойствами гибридных наноструктур.

Работа показала, что гибридные наноантенны перспективны с точки зрения оптической записи информации со сверхвысокой плотностью. Современные оптические диски позволяют записывать информацию с плотностью около 10 Гбит/дюйм², что равно размерам одного пикселя в несколько сот нанометров. Несмотря на то, что такие габариты сопоставимы с разработанными гибридными наночастицами, ученые дополнительно предлагают контролировать их цвет во всем видимом диапазоне. Эта манипуляция приводит к добавлению еще одной «размерности» для записи информации, что существенно увеличивает емкость носителя информации.

Кроме того, метод избирательной модификации гибридных наноантенн поможет создавать новые дизайны гибридных метаповерхностей, волноводов, а также компактных сенсоров для экологического мониторинга окружающей среды.

«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», — пояснил Дмитрий Зуев, ведущий автор работы.