Fysikere fanger lys i nanoresonatorer for rekordtid

Et internationalt team af forskere fra ITMO University, Australian National University, og Korea University har eksperimentelt fanget en elektromagnetisk bølge i en galliumarsenid nanoresonator på et par hundrede nanometer i størrelse i en rekordstor tid. Tidligere forsøg på at fange lys i så lang tid har kun været succesfulde med meget større resonatorer. Ud over, forskerne har leveret eksperimentelt bevis for, at denne resonator kan bruges som grundlag for en effektiv lysfrekvens nanokonverter. Resultaterne af denne forskning har vakt stor interesse blandt det videnskabelige samfund og blev offentliggjort i Videnskab , et af verdens førende akademiske tidsskrifter. Forskere har fremsat forslag om drastisk nye muligheder for subbølgelængdeoptik og nanofotonik - herunder udvikling af kompakte sensorer, nattesynsapparater, og optiske datatransmissionsteknologier.

Problemet med at manipulere egenskaberne af elektromagnetiske bølger på nanoskala er af afgørende betydning i moderne fysik. Ved hjælp af lys, vi kan overføre data over lange afstande, registrere og udlæse data, og udføre andre operationer, der er kritiske for databehandlingen. At gøre dette, lys skal fanges i et lille rum og holdes der i lang tid, hvilket er noget, fysikere kun er lykkedes med at gøre med genstande af en betydelig størrelse, større end lysets bølgelængde. Dette begrænser brugen af ​​optiske signaler i optoelektronik.

To år siden, et internationalt forskerhold fra ITMO University, Australian National University, og Ioffe Instituttet havde teoretisk forudsagt en ny mekanisme, der gør det muligt for forskere at fange lys i miniatureresonatorer, der er meget mindre end lysets bølgelængde og målt i hundredvis af nanometer. Imidlertid, indtil for nylig, ingen havde implementeret mekanismen i praksis.

Et internationalt team af forskere fra ITMO University, Australian National University, og Korea University blev samlet for at bevise denne hypotese. Først, de udviklede konceptet:galliumarsenid blev valgt som nøglematerialet, være en halvleder med et højt brydningsindeks og stærk ikke-lineær respons i det nær-infrarøde område. Forskere besluttede også den mest optimale form for resonatoren, der effektivt ville fange elektromagnetisk stråling.

For at fange lys effektivt, strålen skal reflekteres fra objektets indre grænser så mange gange som muligt uden at undslippe resonatoren. Man kunne antage, at den bedste løsning ville være at gøre objektet så komplekst som muligt. Faktisk, det er lige modsat:jo flere planer en krop har, jo mere sandsynligt er det, at lyset slipper ud. Den næsten ideelle form for denne sag var en cylinder, som besidder det minimale antal grænser. Et spørgsmål, der stadig mangler at blive løst, var, hvilket forhold mellem diameter og højde, der ville være det mest effektive til at fange lys. Efter matematiske beregninger, hypotesen skulle bekræftes eksperimentelt.

"Vi brugte galliumarsenid til at skabe cylindre omkring 700 nanometer i højden og med varierende diametre tæt på 900 nanometer. De er næsten usynlige for det blotte øje. Som vores eksperimenter har vist, referencepartiklen havde fanget lys i en tid, der oversteg 200 gange perioden for en bølgesvingning. Som regel, for partikler af den størrelse er forholdet fem til ti perioder med bølgesvingninger. Og vi fik 200! " siger Kirill Koshelev, den første medforfatter til avisen.

Forskerne delte deres undersøgelse i to dele:den ene er en eksperimentel bekræftelse af teorien udtrykt tidligere, og den anden er et eksempel på, hvordan sådanne resonatorer kan bruges. For eksempel, fælden er blevet brugt til en nanoenhed, der er i stand til at ændre frekvensen, og derfor farve, af en lysbølge. Efter at have passeret denne resonator, den infrarøde stråle blev rød, bliver synlig for det menneskelige øje.

Frekvenskonvertering af elektromagnetiske oscillationer er ikke den eneste anvendelse for denne teknologi. Det har også potentielle anvendelser i forskellige sensorenheder og endda specielle glasbelægninger, der ville gøre det muligt at producere farverigt nattesyn.

"Hvis resonatoren effektivt kan fange lys, derefter placere, sige, et molekyle ved siden af ​​vil øge effektiviteten af ​​molekylets interaktion med lys med en størrelsesorden, og tilstedeværelsen af ​​selv et enkelt molekyle kan let påvises eksperimentelt. Dette princip kan bruges i udviklingen af ​​meget følsomme biosensorer. På grund af resonatorernes evne til at ændre lysets bølgelængde, de kan bruges i nattesynsapparater. Trods alt, selv i mørket, der er elektromagnetiske infrarøde bølger, der er usete for det menneskelige øje. Ved at transformere deres bølgelængde, vi kunne se i mørket. Alt du skal gøre er at påføre disse cylindre på glas eller forruden på en bil. De ville være usynlige for øjet, men tillader os stadig at se meget bedre i mørket, end vi kan på egen hånd, " forklarer Kirill Koshelev.

Udover galliumarsenid, sådanne fælder kan fremstilles ved hjælp af andre dielektriske stoffer eller halvledere, såsom, for eksempel, silicium, som er det mest almindelige materiale i moderne mikroelektronik. Også, den optimale form for lysindfangning, nemlig forholdet mellem en cylinders diameter og dens højde, kan skaleres op for at skabe større fælder.