En grupp forskare från ITMO University i Sankt Petersburg har lagt fram ett nytt tillvägagångssätt för effektiv manipulering av ljus i nanoskala baserat på hybridmetall-dielektriska nanoantenner. Den nya tekniken lovar att skapa en ny plattform för ultratät optisk datainspelning och bana väg för högkapacitetstillverkning av ett brett utbud av optiska nanoenheter som kan lokalisera, förbättra och manipulera ljus på nanoskala. Resultaten av studien publicerades i Avancerade material .

En nanoantenn är en enhet som omvandlar fritt spridande ljus till lokaliserat ljus komprimerat till flera tiotals nanometer. Lokaliseringen gör det möjligt för forskare att effektivt kontrollera ljus på nanoskala. Detta är en av anledningarna till att nanoantenner kan bli de grundläggande byggstenarna i framtida optiska datorer som förlitar sig på fotoner istället för elektroner för att bearbeta och överföra information. Detta oundvikliga utbyte av informationsbäraren är relaterad till det faktum att fotoner överträffar elektroner med flera storleksordningar när det gäller informationskapacitet, kräver mindre energi, utesluta kretsuppvärmning och säkerställ datautbyte med hög hastighet.

Tills nyligen, produktionen av plana uppsättningar av hybrid nanoantenner för ljusmanipulation ansågs vara en extremt mödosam process. En lösning på detta problem hittades av forskare från ITMO University i samarbete med kollegor från Saint Petersburg Academic University och Joint Institute for High Temperatures i Moskva. Forskargruppen har för första gången utvecklat en teknik för att skapa sådana arrayer av hybrid nanoantenner och för mycket exakt justering av individuella nanoantenner inom arrayen. Prestationen möjliggjordes genom att sedan kombinera två produktionssteg:litografi och exakt exponering av thenanoantenn för en femtosekundlaser, en ultrakort impulslaser.

En praktisk tillämpning av hybrid nanoantenner är ultratät datainspelning. Moderna optiska enheter kan spela in information med en densitet runt 10 Gbit/tum2, som är lika med storleken på en enda pixel på några hundra nanometer. Även om sådana dimensioner är jämförbara med storleken på nanoantennerna, forskarna föreslår att ytterligare kontrollera sin färg i det synliga spektrumet. Denna procedur leder till tillägget av ytterligare en "dimension" för dataregistrering, vilket omedelbart ökar hela systemets datalagringskapacitet.

Förutom ultratät datainspelning, den selektiva modifieringen av hybridnanoantenner erbjuder nya konstruktioner av hybridmetasytor, vågledare och kompakta sensorer för miljöövervakning. Inom en snar framtid, forskargruppen planerar att fokusera på utvecklingen av sådana specifika tillämpningar av deras hybridnanoantenner.

Nanoantennerna är gjorda av två komponenter:en stympad kiselkon med en tunn gyllene skiva ovanpå. Tack vare laseromformning i nanoskala, det är möjligt att exakt modifiera formen på guldpartikeln utan att påverka kiselkonen. Förändringen av guldpartikelns form resulterar i att nanoantennens optiska egenskaper som helhet förändras på grund av olika grader av resonansöverlappning mellan kisel och gyllene nanopartiklar.

"Vår metod öppnar en möjlighet att gradvis byta nanoantennernas optiska egenskaper genom selektiv lasersmältning av de gyllene partiklarna. Beroende på laserstrålens intensitet, den gyllene partikeln kommer antingen att förbli skivformad, förvandla till en kopp eller bli en jordglob. Sådan exakt manipulation tillåter oss att erhålla en funktionell hybrid nanostruktur med önskade egenskaper på ett flimmer på en sekund, " säger Sergey Makarov, en av författarna till uppsatsen och forskare vid Institutionen för nanofotonik och metamaterial vid ITMO University.

I motsats till konventionell värmeinducerad tillverkning av nanoantenner, den nya metoden ökar möjligheten att justera individuella nanoantenner inom arrayen och utöva exakt kontroll över de optiska egenskaperna hos hybridnanostrukturerna.

"Vårt koncept med asymmetriska hybridnanoantenner förenar två tillvägagångssätt som tidigare ansågs vara ömsesidigt uteslutande:plasmonik och heldielektrisk nanofotonik. Våra hybridnanostrukturer ärvde fördelarna med båda tillvägagångssätten – lokalisering och förbättring av ljus på nanoskala, låga optiska förluster och förmågan att kontrollera spridningseffektmönstret. I tur och ordning, användningen av laseromformning hjälper oss att exakt och snabbt ändra de optiska egenskaperna hos sådana strukturer och kanske till och med registrera information med extremt hög densitet, säger Dmitry Zuev, huvudförfattare till studien och forskare vid Institutionen för nanofotonik och metamaterial vid ITMO University.