En antenn är en enhet som effektivt kan överföra, plockar upp, och omdirigera elektromagnetisk strålning. Vanligtvis, antenner är makroskopiska enheter som fungerar inom radion och mikrovågsugnen. Dock, det finns liknande optiska enheter (fig. 1). Våglängderna för synligt ljus uppgår till flera hundra nanometer. Som en konsekvens, optiska antenner är, av nödvändighet, nanoserade enheter. Optiska nanoantenner, som kan fokusera, direkt, och effektivt överföra ljus, har ett brett spektrum av applikationer, inklusive informationsöverföring över optiska kanaler, fotodetektering, mikroskopi, biomedicinsk teknik, och till och med påskynda kemiska reaktioner.

För att en antenn ska kunna plocka upp och sända signaler effektivt, dess element måste vara resonanta. I radiobandet, sådana element är trådbitar. I det optiska området, silver- och guldnanopartiklar med plasmoniska resonanser (fig. 2a) har länge använts för detta ändamål. Elektromagnetiska fält i sådana partiklar kan lokaliseras i en skala på 10 nanometer eller mindre, men det mesta av fältets energi går till spillo på grund av Joule -uppvärmning av den ledande metallen. Partiklar av dielektriska material som kisel med höga brytningsindex vid synliga ljusfrekvenser utgör ett nytt alternativ till plasmoniska nanopartiklar. När storleken på den dielektriska partikeln och ljusets våglängd är lagom, partikeln stöder optiska resonanser som kallas Mie -resonanser (fig. 2b). Eftersom dielektriska materialegenskaper skiljer sig från metaller, det är möjligt att avsevärt minska resistiv uppvärmning genom att ersätta plasmoniska nanoantenner med dielektriska analoger.

Huvudkarakteristiken för ett material som bestämmer Mie -resonansparametrar är brytningsindex. Partiklar av material med höga brytningsindex har resonanser som kännetecknas av faktorer av hög kvalitet. Det betyder att i dessa material, elektromagnetiska svängningar varar längre utan yttre excitation. Dessutom, högre brytningsindex motsvarar mindre partikeldiametrar, möjliggör miniatyroptiska enheter. Dessa faktorer gör material med högt index-dvs. de med höga brytningsindex - mer lämpliga för implementering av dielektriska nanoantenner.

I sitt papper publicerat i Optica , forskarna undersöker systematiskt tillgängliga högindexmaterial när det gäller deras resonanser i de synliga och infraröda spektralområdena. Material av detta slag inkluderar halvledare och polära kristaller som kiselkarbid. För att illustrera beteendet hos olika material, författarna presenterar sina associerade kvalitetsfaktorer, som anger hur snabbt svängningar som upphetsas av infallande ljus dör ut. Teoretisk analys gjorde det möjligt för forskarna att identifiera kristallint kisel som det bästa tillgängliga materialet för realisering av dielektriska antenner som arbetar i det synliga området. Germanium överträffade andra material i det infraröda bandet. I den mellersta infraröda delen av spektrumet, en förening av germanium och tellur utförde högst (fig. 3).

Det finns grundläggande begränsningar för kvalitetsfaktorns värde. Det visar sig att höga brytningsindex i halvledare är associerade med elektronbandsövergångar mellan elektroner, vilket oundvikligen innebär absorption av energi som bärs av det infallande ljuset. Denna absorption leder i sin tur till en minskning av kvalitetsfaktorn, liksom uppvärmning, som forskarna försöker kasta. Det finns, därför, en känslig balans mellan ett högt brytningsindex och energiförlust.

"Denna studie ger den mest fullständiga bilden av material med högt index, visar vilken av dem som är optimal för att tillverka en nanoantenna som arbetar i detta spektralområde, och eftersom den ger en analys av de involverade tillverkningsprocesserna, "säger Dmitry Zuev, forskare vid metamateriallaboratoriet vid fakulteten för fysik och teknik, ITMO universitet. "Detta gör att vi kan välja ett material, samt önskad tillverkningsteknik, med hänsyn till de krav som ställs av deras specifika situation. Detta är ett kraftfullt verktyg som främjar design och experimentell förverkligande av ett brett spektrum av dielektriska nanofotoniska enheter. "

Enligt översikten över tillverkningstekniker, kisel, germanium, och galliumarsenid är de mest noggrant studerade högindeksdielektrikerna som används i nanofotonik. Ett brett spektrum av metoder finns tillgängliga för tillverkning av resonanta nanoantenner baserat på dessa material, inklusive litografisk, kemisk, och laserassisterade metoder. Dock, för vissa material, ingen teknik för tillverkning av resonanta nanopartiklar har utvecklats. Till exempel, forskare har ännu inte kommit på sätt att göra nanoantenner från germanium telluride, vars egenskaper i det mellersta infraröda området ansågs vara mest attraktiva av den teoretiska analysen.

"Kisel är för närvarande, bortom alla tvivel, det mest använda materialet i dielektrisk nanoantenna -tillverkning, "säger Denis Baranov, en doktorsexamen student på MIPT. "Det är prisvärt, och kiselbaserade tillverkningstekniker är väletablerade. Också, och detta är viktigt, den är kompatibel med CMOS -tekniken, en branschstandard inom halvledarteknik. Men kisel är inte det enda alternativet. Andra material med ännu högre brytningsindex i det optiska området kan finnas. Om de upptäcks, detta skulle innebära goda nyheter för dielektrisk nanofotonik. "

Forskningsresultaten från teamet kan användas av nanofotoniker för att utveckla nya resonanta nanoantenner baserade på högindex dielektriska material. Dessutom, papperet föreslår ytterligare teoretiskt och experimentellt arbete som ägnas åt sökandet efter andra högindexmaterial med överlägsna egenskaper som ska användas i nya förbättrade dielektriska nanoantenner. Sådana material kan, bland annat, användas för att avsevärt öka effektiviteten för strålningskylning av solceller, vilket skulle utgöra ett viktigt tekniskt framsteg.