Ученые МФТИ научились управлять поведением так называемых плазмонов
© Фото: Ignatov et al. / Annalen der Physik 2016
Ученые из Московского Физтеха научились управлять поведением так называемых плазмонов, основы систем передачи информации и оптических линз будущего, таким образом, что они теперь передают почти всю энергию электромагнитных волн, проходящих через них, передает пресс-служба ВУЗа. Результаты исследования были опубликованы в журнале .
«Для обработки информации, переносимой плазмонными волнами, необходимы элементы, способные отражать, фокусировать, разделять и перенаправлять их. Наши коллеги создали большое количество таких структур. Мы занялись последним важным этапом на пути к полному контролю над ними - созданием структуры, способной на 100% поглощать энергию падающих плазмонов», - заявил Денис Баранов из МФТИ в Долгопрудном.
Баранов и его коллеги по университету, Антон Игнатов и Игорь Нечепуренко, нашли «рецепт» идеальной «дрессировки» плазмонов - коллективных колебаний электронов, возникающих на поверхности металла при поглощении ими света, изучая поведение так называемых поверхностных поляритонов.
Поляритоны представляют собой одну из относительно недавно созданных виртуальных частиц, которая, как и фотон, одновременно ведет себя как волна и как частица. Он состоит из трех компонентов - оптического резонатора (двух отражающих поверхностей), заточенной между ними световой волны и квантового колодца - атома и вращающегося вокруг него электрона, который периодически поглощает и испускает квант света.
Поверхностные поляритоны, и связанные с ними плазмоны, являются ключом к решению главной проблемы, возникающей при создании световых компьютеров - невозможности миниатюризации некоторых ключевых их компонентов.
Дело в том, что их размеры не могут быть меньше 200 нанометров для видимого света и около 500 нанометров для инфракрасного излучения из-за явления дифракции света - огибания волнами света препятствий, имеющих размеры менее половины длины световой волны. Для сравнения, размеры транзисторов и проводников в современных чипах составляют десятки и единицы нанометров.
Поляритоны позволяют преодолевать этот предел, так как в таком случае внутри чипа будет двигаться не свет, а коллективные колебания электронов, порождаемые в плазмонных резонаторах. Проблема заключается в том, что при достаточно миниатюрных размерах подобные резонаторы начинают греться еще сильнее, чем это делают транзисторы в обычных кремниевых чипах, что делает подобную замену по сути бессмысленной.
Баранов и его коллеги нашли ключ к решению этой проблемы, создав наноструктуру из двух необычных материалов, в которых манера движения света зависит от того, в какую сторону он движется. Если соединить ее с обычным плазмонным световодом, то все потери тепла будут ликвидированы и устройство не будет греться.
По словам ученых, при определенной внутренней геометрии данного световода и поглотителей света на его концах, почти все 100% энергии плазмонов будет передаваться далее и не превращаться в паразитное тепло. Толщина такие структуры, как отмечают физики, может составлять всего 100 нанометров, что делает ее пригодной для миниатюризации.
Что интересно, можно добиться совершенно обратного результата, поменяв фазы этих структур, поглощающих энергию, в результате чего плазмонные волны больше не будут поглощаться ими и будут беспрепятственно проходить через них. Это свойство и высокая эффективность подобной «дрессировки» плазмонов, как надеются физики, станут основой для нанофотонных компьютеров будущего.