Ett team av fysiker från ITMO University, MIPT, och University of Texas i Austin har utvecklat en okonventionell nanoantenn som sprider ljus i en viss riktning beroende på intensiteten av infallande strålning. Forskningsresultaten kommer att hjälpa till med utvecklingen av flexibel optisk informationsbehandling i telekommunikationssystem.

Fotoner - bärarna av elektromagnetisk strålning - har varken massa eller elektrisk laddning. Detta innebär att ljuset är relativt svårt att kontrollera, till skillnad från, till exempel, elektroner, som kan styras genom att applicera ett konstant elektriskt fält. Dock, enheter som nanoantenner möjliggör en viss grad av kontroll över utbredningen av elektromagnetiska vågor.

Ett område som kräver den "avancerade" ljusmanipulationen är utvecklingen av optiska datorer. I dessa enheter, informationen bärs inte av elektroner, men av fotoner. Att använda ljus istället för laddade partiklar har potential att avsevärt förbättra hastigheten för överföring och bearbetning av information. För att göra dessa datorer till verklighet krävs specifika nanoantenner med egenskaper som kan manipuleras på något sätt – genom att applicera ett konstant elektriskt eller magnetiskt fält, till exempel, eller genom att variera intensiteten av infallande ljus.

I tidningen publicerad i Laser &Photonics Recensioner , forskarna designade en ny olinjär nanoantenn som kan ändra ljusspridningens riktning beroende på intensiteten av den infallande vågen (Fig. 1). Kärnan i den föreslagna nanoantennen är kiselnanopartiklar, som genererar elektronplasma under hård laserstrålning. Författarna har tidigare visat möjligheterna att använda dessa nanopartiklar för olinjär och ultrasnabb kontroll av ljus. Forskarna lyckades sedan manipulera delar av ljusstrålningen som spreds framåt och bakåt. Nu, genom att ändra intensiteten av infallande ljus, de har hittat ett sätt att vända en spridd ljusstråle i önskad riktning.

För att rotera strålningsmönstret för nanoantennen, författarna använde mekanismen för plasmaexcitation i kisel. Nanoantennen är en dimer - två kiselnanosfärer med olika diametrar. Bestrålat med en svag laserstråle, denna antenn sprider ljuset i sidled på grund av dess asymmetriska form (blått diagram i fig. 2A). Diametrarna för de två nanopartiklarna är valda så att en partikel är resonant vid laserljusets våglängd. Bestrålade med en intensiv laserpuls, elektronplasma genereras i den resonanta partikeln vilket orsakar förändringar i partikelns optiska egenskaper. Den andra partikeln förblir icke-resonant, och det kraftfulla laserfältet har liten effekt på det. Generellt, genom att noggrant välja den relativa storleken för båda partiklarna i kombination med parametrarna för den infallande strålen (varaktighet och intensitet), det är möjligt att göra storleken på partiklarna praktiskt taget lika, vilket gör att antennen kan studsa ljusstrålen framåt (rött diagram i fig. 2a).

"Befintliga optiska nanoantenner kan styra ljus inom ett ganska brett område. denna förmåga är vanligtvis inbäddad i deras geometri och de material de är gjorda av, så det är inte möjligt att konfigurera dessa egenskaper när som helst, säger Denis Baranov, en doktorand vid MIPT och huvudförfattaren till uppsatsen. "Egenskaperna hos vår nanoantenn, dock, kan modifieras dynamiskt. När vi lyser upp den med en svag laserimpuls, vi får ett resultat, men med en stark impuls, resultatet är helt annorlunda."

Forskarna utförde numerisk modellering av ljusspridningsmekanismen, Fig. 2b. Simuleringen visade att när nanoantennen är upplyst med en svag laserstråle, ljuset sprids åt sidan. Dock, belysning av nanoantennen med en intensiv laserimpuls leder till generering av elektronplasma i enheten och spridningsmönstret roterar med 20 grader (röd linje). Detta ger en möjlighet att avleda svaga och starka incidentimpulser i olika riktningar.

Sergey Makarov, en senior forskare vid institutionen för nanofotonik och metamaterial vid ITMO University säger, "I den här studien, vi fokuserade på utvecklingen av ett optiskt chip i nanoskala som mäter mindre än 200×200×500 nanometer. Detta är mycket mindre än våglängden för en foton, som bär informationen. Den nya enheten kommer att tillåta oss att ändra riktningen för ljusets utbredning i mycket bättre takt jämfört med elektroniska analoger. Vår enhet kommer att kunna distribuera en signal i två optiska kanaler inom en mycket kort tid, vilket är oerhört viktigt för moderna telekommunikationssystem."

I dag, information överförs via optiska fibrer med hastigheter upp till hundratals Gbit/s. Dock, även moderna elektroniska enheter bearbetar dessa signaler ganska långsamt, med hastigheter på bara några Gbit/s för ett enskilt element. Den föreslagna olinjära optiska nanoantennen kan lösa detta problem, eftersom den arbetar med 250 Gbit/s. Detta banar väg för ultrasnabb bearbetning av optisk information. Den olinjära antennen som utvecklats av forskarna ger fler möjligheter att styra ljus i nanoskala, som krävs för att framgångsrikt utveckla fotoniska datorer och andra liknande enheter.