Молодые учёные из Университета ИТМО и МФТИ продемонстрировал перспективы использования наночастиц из кремния для эффективного нелинейного управления светом. Результаты исследования, опубликованного в ACS Photonics, могут применяться при разработке оптических устройств на основе кремниевых наночастиц с богатым функционалом. Они, например, позволят пропускать, отражать или рассеивать свет в любое выбранное направление в зависимости от его интенсивности. Также на их основе можно создавать миниатюрные чипы для сверхбыстрой обработки информации в оптических линиях связи и компьютерах будущего.

Электромагнитные волны используются в качестве переносчика информации в самом широком диапазоне частот  –  от радиоволн для передачи радиосигнала по воздуху до инфракрасного и видимого диапазона, используемого в телекоммуникациях для передачи информации по оптоволокну. Для излучения, приёма и обработки такой информации нужны антенны – устройства, способные эффективно излучать в определённом направлении, или, наоборот, принимать сигнал. Для гибкой обработки поступающего сигнала зачастую нужно, чтобы антенна была перестраиваемой  –  иначе говоря, чтобы её характеристики можно было изменять в процессе работы.

Электромагнитная антенна в режиме (а) излучения и (б) приёма сигнала

Одним из возможных решений является нелинейная антенна, рабочие характеристики которой перестраиваются под действием самого падающего излучения.

«Особенно актуальна и в то же самое время затруднительна разработка подобных устройств в видимом и инфракрасном диапазоне частот, – комментирует результаты исследований аспирант МФТИ, один из авторов работы, Денис Баранов. – Сегодня мы умеем передавать информацию по оптоволокну с рекордными скоростями, до сотен Гбит/с. Однако кремниевая электроника не позволяет обрабатывать информацию настолько быстро.

Создание нелинейных оптических наноантенн позволит нам решить эту проблему и откроет дорогу к сверхбыстрой обработке оптической информации».

Для достижения нелинейного переключения физики исследовали диэлектрическую наноантенну – сферическую наночастицу из кремния, обладающую оптическими резонансами. Резонансы наблюдаются в сферических частицах любых размеров, при этом резонансные длины волн определяются именно размером частицы. Первый из таких резонансов, наблюдающийся для самой большой длины волны  –  магнито-дипольный резонанс. На определённой длине волны падающий свет возбуждает в частице круговой электрический ток, подобный току, текущему по замкнутой цепи. В кремнии из-за высокого значения его коэффициента преломления магнитно-дипольный резонанс наблюдается в оптической области частот уже для наночастиц диаметром около 100 нм, что делает их привлекательными для усиления всевозможных оптических эффектов в наномасштабе. Коллектив учёных использовал резонансы кремниевых наносфер для усиления комбинационного рассеяния.

Механизмом, обеспечивающим нелинейное изменение характеристик антенны, является генерация электронной плазмы в кремнии. Это полупроводник, и при обычных условиях его зона проводимости практически не заселена электронами. Однако под воздействием мощного и очень короткого (~ 100 фемтосекунд, т.е. 10^-13 секунды) лазерного импульса, электроны переходят в зону проводимости. Это значительно меняет свойства кремния и самой наноантенны, которая начинает переизлучать падающий свет в направлении падающего импульса. Таким образом, запуская короткий и интенсивный импульс на частицу, можно динамически влиять на её характеристики как антенны.

Схематическая иллюстрация системы, исследованной авторами работы. Фемтосекундный лазерный импульс возбуждает кремниевую наночастицу. Под действием мощного лазерного излучения электроны переходят в зону проводимости кремния, изменяя оптические свойства наночастицы (амплитуду электрического и магнитного дипольного резонанса), так что частица направленно переизлучает падающий свет

В целях демонстрации возможности сверхбыстрого переключения наноантенны, исследователи провели серию экспериментов с массивом кремниевых наночастиц, в ходе которых измерялось прохождение через массив мощного короткого лазерного импульса.

Обнаружилось, что коэффициент прохождения  через структуру меняется на несколько процентов в течение 100 фемтосекунд и постепенно возвращается к своему начальному значению.

Опираясь на полученные экспериментальные данные, учёные построили аналитическую модель, описывающую сверхбыструю нелинейную динамику рассматриваемой наноантенны, генерацию и релаксацию электронной плазмы в кремнии. Модель показывает, что за очень короткое время  –  порядка 100 фемтосекунд  –  диаграмма рассеяния антенны кардинально меняется. В то время как до прихода импульса частица рассеивает примерно одинаковое количество энергии вперёд и назад, после действия короткого импульса антенна переключается в режим практически идеального рассеивания вперёд. Теоретические оценки, подкреплённые экспериментом, позволяют сделать вывод о быстродействии такой антенны на уровне 250 Гбит/с, в то время как традиционная кремниевая электроника позволяет добиться скоростей всего лишь до десятков Гбит/с для одного элемента.

Динамическое поведение нелинейной кремниевой наноантенны. На графике изображено отношение вперёд-назад (Front-to-back ratio) – т.е. отношение мощности, излучаемой антенной вперёд к мощности, излучаемой назад. Обозначенная голубым область на фоне соответствует огибающей падающего импульса. На вставках изображена диаграмма рассеяния антенны в два различных момента времени; красные стрелки показывают направление падающего импульса.

«Результаты работы демонстрируют высокий потенциал кремниевых наночастиц для создания на их основе сверхбыстрых оптических наноустройств. Построенная нами модель может быть использована для разработки и более сложных наноструктур, содержащих кремниевые частицы, которые позволят управлять светом совершенно непривычным способом. Например, в дальнейшем мы планируем не только изменять амплитуду оптического сигнала, но и поворачивать его на нужный угол за ультракороткое время», – отмечает старший научный сотрудник кафедры Нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО Сергей Макаров.

Фотография и рисунки предоставлены Управлением по стратегическим коммуникациям Университета ИТМО.