Российские физики впервые надолго заперли свет в наноловушке

МОСКВА, 17 янв — РИА Новости. Ученые провели удачный эксперимент, во время которого поймали электромагнитную волну в наноразмерный резонатор и удерживали ее рекордно продолжительное время. Результаты опубликованы в журнале Science.

Световые, или электромагнитные, волны переносят информацию гораздо эффективнее и быстрее, чем электрические сигналы. Используя световые сигналы, можно передавать информацию на огромные расстояния, записывать и считывать данные и совершать другие операции по обработке информации с очень высокой скоростью. На этом основано действие лазерных передатчиков и систем оптоволоконной связи.

Однако светом очень трудно управлять, особенно в компактных системах. Проблема управления свойствами электромагнитных волн на нанометровых масштабах — одна из важнейших в современной физике. Дело в том, что для этого свет нужно локализовать в малой области пространства и удерживать его там длительное время, а делать это физики научились пока лишь для объектов, размер которых существенно превышает длину световой волны. Это существенно ограничивает использование оптических сигналов в электронике.

Российские физики из Университета ИТМО в сотрудничестве с австралийскими и южнокорейскими коллегами создали наноразмерные резонаторы, которые могут удерживать свет рекордно долго — в двести раз дольше периода одного колебания световой волны. При этом они отличаются очень небольшими размерами, что крайне важно с практической точки зрения, позволяя использовать их для создания компактных сенсоров, приборов ночного видения и оптических средств передачи информации. Кроме того, учеными было экспериментально показано, что разработанная ими система может работать как эффективный нанопреобразователь частоты света.

То, что можно захватывать и удерживать свет в очень маленьких резонаторах, размеры которых существенно меньше длины волны света, ученые из ИТМО теоретически доказали еще два года назад. Сейчас перед исследователями стояла задача экспериментально подтвердить свои построения. Для этого нужно было найти материал для самого устройства и выбрать форму ловушки.

В качестве материала был выбран арсенид галлия — полупроводник, обладающий большим показателем преломления и сильным нелинейным откликом в ближнем инфракрасном диапазоне. Для эффективного захвата и удержания света необходимо, чтобы луч отражался от внутренних поверхностей структуры как можно большее число раз и при этом не вылетал из резонатора. Ученые решили, что для этой задачи с точки зрения формы идеально подходит цилиндр с определенным отношением диаметра к высоте.

"Из арсенида галлия были изготовлены цилиндры высотой около 700 нанометров с различными диаметрами, близкими к 900 нанометрам. Их практически невозможно увидеть невооруженным глазом. Как показал эксперимент, эталонная частица захватила свет на время, превышающее в 200 раз период одного колебания световой волны. Обычно для частицы таких размеров этот показатель не превышает пять-десять периодов световых колебаний. А здесь — двести!" — приводятся в пресс-релизе университета слова первого автора научной публикации Кирилла Кошелева.

Второй частью работы было создание прототипов практического применения новой разработки. В частности, на основе нанорезонатора учеными было изготовлено устройство для изменения частоты световой волны, а значит, и цвета луча. После прохождения через такое устройство инфракрасный луч становится красным, который уже попадает в видимый диапазон. В перспективе его можно использовать для создания полноцветных приборов ночного видения и различных датчиков.

"Если резонатор может эффективно удерживать свет, то при размещении, например, молекулы рядом с таким резонатором эффективность взаимодействия света с ней возрастает на порядки, и присутствие даже одиночной молекулы может быть легко обнаружено в эксперименте, — комментирует Кирилл Кошелев. — Этот принцип используется для создания очень чувствительных биологических сенсоров. За счет способности разработанных резонаторов эффективно изменять длину волны света их можно использовать в приборах ночного видения. Ведь даже в темноте в воздухе существуют электромагнитные волны инфракрасного диапазона, которые человеческий глаз не видит. Если изменить длину этих волн, то можно будет видеть в темноте. Для этого нужно нанести наши цилиндры на очки или на лобовое стекло автомобиля. Они не будут видны глазу, но позволят видеть в темноте много лучше, чем мы видим своим зрением".

Ученые говорят о совершенно новых возможностях для субволновой оптики и нанофотоники, которые открываются в связи с их разработкой. Помимо арсенида галлия, при создании резонаторов допустимо применять и другие диэлектрики или полупроводники — к примеру кремний, один из самых распространенных материалов в современной микроэлектронике. А соотношение диаметра цилиндра к его высоте можно масштабировать и использовать для создания ловушек других размеров.