Ett internationellt team av forskare från ITMO University, Australian National University, och Korea University har experimentellt fångat en elektromagnetisk våg i en galliumarsenid-nanoresonator några hundra nanometer stora för en rekordtid. Tidigare försök att fånga ljus under så lång tid har bara varit framgångsrika med mycket större resonatorer. Dessutom, forskarna har försökt bevisa att denna resonator kan användas som grund för en effektiv ljusfrekvens -nanokonverterare. Resultaten av denna forskning har väckt stort intresse bland det vetenskapliga samfundet och publicerades i Vetenskap , en av världens ledande akademiska tidskrifter. Forskare har lagt fram förslag om drastiskt nya möjligheter för subvåglängdsoptik och nanofotonik - inklusive utveckling av kompakta sensorer, mörkerseende, och optisk dataöverföringsteknik.

Problemet med att manipulera egenskaperna hos elektromagnetiska vågor i nanoskala är av yttersta vikt i modern fysik. Med ljus, vi kan överföra data över långa avstånd, spela in och läsa ut data, och utföra andra operationer som är kritiska för databehandling. Att göra detta, ljus måste fångas i ett litet utrymme och hållas där under en lång tid, vilket är något som fysiker bara har lyckats med objekt av betydande storlek, större än ljusets våglängd. Detta begränsar användningen av optiska signaler inom optoelektronik.

Två år sedan, ett internationellt forskargrupp från ITMO University, Australian National University, och Ioffe -institutet hade teoretiskt förutsett en ny mekanism som gör det möjligt för forskare att fånga ljus i miniatyrresonatorer som är mycket mindre än ljusets våglängd och mätt i hundratals nanometer. Dock, tills nyligen, ingen hade implementerat mekanismen i praktiken.

Ett internationellt team av forskare från ITMO University, Australian National University, och Korea University samlades för att bevisa denna hypotes. Först, de utvecklade konceptet:galliumarsenid valdes som nyckelmaterial, vara en halvledare med ett högt brytningsindex och starkt olinjärt svar i det nära infraröda området. Forskare beslutade också om den mest optimala formen för resonatorn som effektivt skulle fånga elektromagnetisk strålning.

För att fånga ljuset effektivt, strålen måste reflekteras från objektets inre gränser så många gånger som möjligt utan att undkomma resonatorn. Man kan anta att den bästa lösningen är att göra objektet så komplext som möjligt. I själva verket, det är tvärtom:ju fler plan en kropp har, det mer troliga ljuset är att undkomma det. Den nästan idealiska formen för detta fall var en cylinder, som har ett minimalt antal gränser. En fråga som återstod att lösa var vilket förhållande mellan diameter och höjd som skulle vara det mest effektiva för att fånga ljus. Efter matematiska beräkningar, hypotesen måste bekräftas experimentellt.

"Vi använde galliumarsenid för att skapa cylindrar runt 700 nanometer i höjd och med varierande diametrar nära 900 nanometer. De är nästan osynliga för blotta ögat. Som våra experiment har visat, referenspartikeln hade fångat ljus under en tid som översteg 200 gånger perioden för en vågoscillation. Vanligtvis, för partiklar av den storleken är förhållandet fem till tio perioder av vågoscillationer. Och vi fick 200! säger Kirill Koshelev, den första medförfattaren till tidningen.

Forskarna delade sin studie i två delar:en är en experimentell bekräftelse av teorin som uttryckts tidigare, och den andra är ett exempel på hur sådana resonatorer kan användas. Till exempel, fällan har använts för en nanodel som kan ändra frekvensen, och därför färg, av en ljusvåg. När den passerade genom denna resonator, den infraröda strålen blev röd, blir synliga för det mänskliga ögat.

Frekvensomvandlingen av elektromagnetiska svängningar är inte den enda applikationen för denna teknik. Det har också potentiella tillämpningar i olika avkänningsanordningar och till och med speciella glasbeläggningar som skulle göra det möjligt att producera färgglatt nattsyn.

"Om resonatorn effektivt kan fånga ljus, placera sedan, säga, en molekyl bredvid den kommer att öka effektiviteten av molekylens interaktion med ljus med en storleksordning, och närvaron av till och med en enda molekyl kan lätt detekteras experimentellt. Denna princip kan användas vid utveckling av högkänsliga biosensorer. På grund av resonatorernas förmåga att ändra ljusets våglängd, de kan användas i mörkerseende. Trots allt, även i mörkret, det finns elektromagnetiska infraröda vågor som inte syns för det mänskliga ögat. Genom att omvandla deras våglängd, vi kunde se i mörkret. Allt du behöver göra är att applicera dessa cylindrar på glasögon eller vindrutan på en bil. De skulle vara osynliga för ögat men ändå låta oss se mycket bättre i mörkret än vi kan på egen hand, "förklarar Kirill Koshelev.

Förutom galliumarsenid, sådana fällor kan göras med andra dielektriska eller halvledare, Till exempel, till exempel, kisel, som är det vanligaste materialet inom modern mikroelektronik. Också, den optimala formen för ljusfällning, nämligen förhållandet mellan en cylinders diameter och dess höjd, kan skalas upp för att skapa större fällor.