Minehardware hjælper forskere med at få indsigt i siliciumnanopartikler

Forskere har udviklet en tredimensionel dynamisk model af en interaktion mellem lys og nanopartikler. De brugte en supercomputer ved hjælp af grafikacceleratorer til beregninger. Resultaterne viser, at siliciumpartikler udsat for korte, intense laserimpulser mister deres symmetri midlertidigt. Deres optiske egenskaber bliver stærkt heterogene. En sådan ændring i egenskaber afhænger af partikelstørrelsen. Derfor, den kan bruges til lysstyring i ultrahurtige informationsbehandlingsenheder i nanoskala. Undersøgelsen er publiceret i Avancerede optiske materialer .

Forbedring af computerenheder i dag kræver yderligere acceleration af informationsbehandling. Nanofotonik er en af ​​de discipliner, der kan løse dette problem ved hjælp af optiske enheder. Selvom optiske signaler kan transmitteres og behandles meget hurtigere end elektroniske, det er først nødvendigt at lære at styre lys i lille skala. Til dette formål, forskere bruger metalpartikler, som lokaliserer lys effektivt, alligevel svække signalet, i sidste ende forårsager betydelige tab. Imidlertid, dielektriske og halvledende materialer såsom silicium kan bruges i stedet for metal.

Siliciumnanopartikler studeres nu aktivt af forskere over hele verden, herunder ITMO University. Det langsigtede mål med sådanne undersøgelser er at skabe en ultrahurtig kompakt modulator til optiske signaler. De kan tjene som grundlag for fremtidens computere. Imidlertid, denne teknologi bliver først gennemførlig, når forskerne forstår, hvordan nanopartikler interagerer med lys.

"Når en laserpuls rammer partiklen, der dannes en masse frie elektroner indeni, " forklarer Sergey Makarov, leder af Laboratoriet for Hybrid Nanofotonik og Optoelektronik ved ITMO University. "Som et resultat skabes et område mættet med modsat ladede partikler. Det kaldes normalt et elektronhulsplasma. Plasma ændrer partiklernes optiske egenskaber, og indtil nu har alle troet, at det sker med hele partiklen samtidigt, så symmetrien bevares. Vi viste, at dette ikke er helt sandt, og en jævn fordeling af plasmaet inde i partikler er ikke det eneste mulige scenario."

Forskerne fandt ud af, at en elektromagnetisk forstyrrelse forårsaget af interaktion mellem lys og partikler har en mere kompleks struktur. Dette fører til en lys forvrængning, varierende med tiden. Derfor, symmetrien af ​​brud og optiske egenskaber bliver forskellige gennem en partikel. "Ved brug af analytiske og numeriske metoder, vi kiggede først ind i partiklen og så, at processer, der finder sted der, er langt mere komplicerede, end vi troede, " siger Konstantin Ladutenko, medlem af International Research Center of Nanophotonics and Metamaterials ved ITMO University. "I øvrigt, vi fandt ud af, at ved at ændre partikelstørrelsen, vi kan påvirke dets interaktion med lyssignalet. Så vi kan måske forudsige signalvejen i et helt system af nanopartikler."

For at skabe et værktøj til at studere processer inde i nanopartikler, forskere fra ITMO University gik sammen med kolleger fra Jean Monnet Universitet i Frankrig. "Vi foreslog analytiske metoder til at bestemme partikelstørrelse og brydningsindeks, hvilket kan give en ændring i optiske egenskaber. Bagefter, med kraftfulde beregningsmetoder sporede vi processer inde i partikler. Vores kolleger lavede beregninger på en computer med grafikacceleratorer. Sådanne computere bruges ofte til cryptocurrency-mining. Imidlertid, vi besluttede at berige menneskeheden med ny viden, i stedet for at berige os selv. Hvad er mere, Bitcoin-kursen er lige begyndt at falde, " siger Konstantin.

Enheder baseret på sådanne nanopartikler kan blive grundlæggende elementer i optiske computere, ligesom transistorer nu er grundlæggende elementer i elektronik. De vil gøre det muligt at distribuere og omdirigere eller forgrene signalet. "Sådanne asymmetriske strukturer har en række applikationer, men alligevel fokuserer vi på ultrahurtig signalbehandling, " fortsætter Sergey. "Nu har vi et kraftfuldt teoretisk værktøj, som vil hjælpe os med at udvikle et hurtigt og kompakt lysstyringssystem."