Forskare har utvecklat en tredimensionell dynamisk modell av en interaktion mellan ljus och nanopartiklar. De använde en superdator som använde grafikacceleratorer för beräkningar. Resultaten visar att kiselpartiklar som utsätts för kort, intensiva laserpulser förlorar sin symmetri tillfälligt. Deras optiska egenskaper blir starkt heterogena. En sådan förändring i egenskaper beror på partikelstorlek. Därför, den kan användas för ljusstyrning i ultrasnabb informationsbearbetning av enheter i nanoskala. Studien publiceras i Avancerat optiskt material .
Förbättring av datorenheter idag kräver ytterligare acceleration av informationsbehandlingen. Nanofotonik är en av de discipliner som kan lösa detta problem med hjälp av optiska enheter. Även om optiska signaler kan överföras och bearbetas mycket snabbare än elektroniska, det är först nödvändigt att lära sig att styra ljus i liten skala. För det här syftet, forskare använder metallpartiklar, som lokaliserar ljus effektivt, ändå försvaga signalen, så småningom orsaka betydande förluster. Dock, dielektriska och halvledande material som kisel kan användas istället för metall.
Kiselnanopartiklar studeras nu aktivt av forskare över hela världen, inklusive ITMO University. Det långsiktiga målet med sådana studier är att skapa en ultrasnabb kompakt modulator för optiska signaler. De kan tjäna som grund för framtidens datorer. Dock, denna teknik kommer att bli genomförbar först när forskare förstår hur nanopartiklar interagerar med ljus.
"När en laserpuls träffar partikeln, det bildas många fria elektroner inuti, " förklarar Sergey Makarov, chef för Laboratory of Hybrid Nanophotonics and Optoelectronics vid ITMO University. "Som ett resultat skapas ett område som är mättat med motsatt laddade partiklar. Det kallas vanligtvis ett elektronhålsplasma. Plasma förändrar partiklars optiska egenskaper och hittills har alla trott att det händer med hela partikeln samtidigt, så att symmetrin bevaras. Vi visade att detta inte är helt sant och en jämn fördelning av plasman inuti partiklar är inte det enda möjliga scenariot."
Forskarna fann att en elektromagnetisk störning orsakad av interaktion mellan ljus och partiklar har en mer komplex struktur. Detta leder till en ljusförvrängning, varierar med tiden. Därför, symmetrin av brott och optiska egenskaper blir olika i en partikel. "Med hjälp av analytiska och numeriska metoder, vi tittade först inuti partikeln och såg att processer som äger rum där är mycket mer komplicerade än vi trodde, säger Konstantin Ladutenko, en medlem av International Research Center of Nanophotonics and Metamaterials vid ITMO University. "Dessutom, vi fann att genom att ändra partikelstorleken, vi kan påverka dess interaktion med ljussignalen. Så vi kanske kan förutsäga signalvägen i ett helt system av nanopartiklar."
För att skapa ett verktyg för att studera processer inuti nanopartiklar, forskare från ITMO University gick samman med kollegor från Jean Monnet University i Frankrike. "Vi föreslog analytiska metoder för att bestämma partikelstorlek och brytningsindex, vilket kan ge en förändring i optiska egenskaper. Efteråt, med kraftfulla beräkningsmetoder spårade vi processer inuti partiklar. Våra kollegor gjorde beräkningar på en dator med grafikacceleratorer. Sådana datorer används ofta för brytning av kryptovalutor. Dock, vi bestämde oss för att berika mänskligheten med ny kunskap, snarare än att berika oss själva. Vad är mer, bitcoinkursen började precis falla då, säger Konstantin.
Enheter baserade på sådana nanopartiklar kan bli grundläggande element i optiska datorer, precis som transistorer nu är grundläggande delar av elektronik. De kommer att göra det möjligt att distribuera och omdirigera eller förgrena signalen. "Sådana asymmetriska strukturer har en mängd olika tillämpningar men vi fokuserar på ultrasnabb signalbehandling, " fortsätter Sergey. "Nu har vi ett kraftfullt teoretiskt verktyg som kommer att hjälpa oss att utveckla ett snabbt och kompakt ljushanteringssystem."
