РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Физикам впервые удалось надолго запереть свет в нанорезонаторе

Международная команда ученых осуществила эксперимент, в рамках которого им удалось поймать электромагнитную волну в резонатор фантастически крошечного размера.
Физикам впервые удалось надолго запереть свет в нанорезонаторе

Международной команде ученых Нового физтеха Университета ИТМО, Центра нелинейной физики Австралийского Национального Университета и Университета Корё удалось провести эксперимент, во время которого они поймали электромагнитную волну в резонатор арсенида галлия размером несколько сотен нанометров и удерживали ее рекордно продолжительное время. До этого свет удавалось так долго удерживать только в резонаторах значительно больших размеров. Кроме этого, учеными было экспериментально показано, что на основе разработанной системы можно реализовать эффективный нанопреобразователь частоты света. Результаты исследований вызвали широкий интерес в международном сообществе и были опубликованы в журнале Science — одном из наиболее престижных научных журналов. Ученые говорят о совершенно новых возможностях для субволновой оптики и нанофотоники — в том числе для создания компактных сенсоров, приборов ночного видения и оптических средств передачи информации.

Проблема управления свойствами электромагнитных волн на нанометровых масштабах является одной из важнейших в современной физике. Используя световые сигналы, мы можем передавать информацию на огромные расстояния, записывать и считывать данные и совершать другие операции, необходимые для обработки информации. Проблема в том, что для этого свет нужно локализовать в малой области пространства и удерживать его там длительное время, а делать это физики научились пока лишь для объектов, размер которых существенно превышает длину световой волны. Это ограничивает использование оптических сигналов в оптоэлектронике.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Еще два года назад интернациональная научная команда из сотрудников Нового Физтеха, Австралийского Национального Университета и Физико-технического Института им. А.Ф. Иоффе теоретически предсказала новый механизм, позволяющий захватывать и удерживать свет в очень маленьких резонаторах, размеры которых существенно меньше длины волны света и исчисляются сотнями нанометров. Однако до недавнего времени реально этого никто сделать не смог.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Для того, чтобы подтвердить гипотезу двухлетней давности, была собрана международная команда ученых, включающая Университет ИТМО, Австралийский Национальный Университет и Университет Корё. Сначала была разработана концепция: в качестве материала были выбран арсенид галлий — полупроводник, обладающий большим показателем преломления и сильным нелинейным откликом в ближнем инфракрасном диапазоне, также была подобрана наиболее оптимальная форма резонатора, которая позволяет эффективно удерживать электромагнитное излучение.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Для эффективного захвата света необходимо заставить луч отражаться от внутренних поверхностей структуры как можно большее число раз и при этом не вылетать из резонатора. К идеальной для этой задачи формой является цилиндр, обладающий минимальным числом граней. Остается вопрос, каково должно быть соотношение диаметра цилиндра к его высоте, чтобы обеспечить наиболее эффективное удержание света.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

«Из арсенида галлия были изготовлены цилиндры высотой около 700 нм с различными диаметрами, близкими к 900 нм. Их практически не увидеть невооруженным взглядом. Как показал эксперимент, эталонная частица захватила свет на время, превышающее в 200 раз период одного колебания световой волны. Обычно для частицы таких размеров этот показатель не превышает 5 – 10 периодов световых колебаний. А здесь 200!», — рассказывает первый автор научной публикации исследования Кирилл Кошелев.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Сами ученые разделили свою работу на две части: одна является экспериментальным подтверждением высказанной ранее теории, а вторая — примером применения таких резонаторов. В частности, на основе «ловушки» для света было показано устройство для изменения частоты волны, а стало быть, и цвета луча. После прохождения через такое устройство инфракрасный луч стал красным, то есть попал в видимый диапазон. Изменение частоты электромагнитных колебаний, важное для оптической обработки данных – не единственное применение разработки. Также в перспективе ее можно использовать для создания различных датчиков и даже специального напыления для стекол, которое позволит видеть в темноте в цветном изображении.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

«Если резонатор может эффективно удерживать свет, то при размещении, например, молекулы рядом с таким резонатором эффективность взаимодействия света с ней возрастает на порядки, и присутствие даже одиночной молекулы может быть легко обнаружено в эксперименте. Этот принцип используется для создания очень чувствительных биологических сенсоров. За счет способности разработанных резонаторов эффективно изменять длину волны света их можно использовать для создания приборов ночного видения. Ведь даже в темноте в воздухе существуют электромагнитные волны инфракрасного диапазона, которые человеческий глаз не видит. Если изменить длину этих волн, то можно будет видеть в темноте. Для этого можно нанести наши цилиндры на очки или на лобовое стекло автомобиля. Они не будут видны глазу, но позволят видеть в темноте много лучше, чем мы видим своим зрением», — комментирует Кирилл Кошелев.

Помимо арсенида галлия для создания таких «ловушек» можно использовать и другие диэлектрики или полупроводники – к примеру кремний, один из самых распространенных материалов в современной микроэлектронике. А обнаруженную форму для удержания света, то есть соотношение диаметра цилиндра к его высоте, можно масштабировать и использовать для создания других по размеру ловушек. 

Загрузка статьи...