Новости

Суперлинза сжала свет до наномасштаба

22 июня 2020 Рубрика: Исследования и разработки Ключевые слова: МФТИ, плазмоны, наноструя, фотоника

Российские и датские ученые впервые наблюдали в эксперименте плазмонную нанострую. Это явление позволяет сфокусировать свет на наномасштабе и в теории — обойти одно из фундаментальных ограничений обычной собирающей линзы. Подобное уплотнение световых волн необходимо, чтобы использовать их в качестве переносчика сигналов в компактных устройствах, которые будут работать быстрее электроники.

До изобретения лазерной указки герои любовных романов сообщали на энный этаж о своем присутствии, бросая камешек в окно. Один из недостатков камня как носителя сигнала — его масса, из-за которой отправка сообщения требует усилий и времени. Масса электрона мала, но тоже не равна нулю, поэтому и его нельзя мгновенно привести в движение. Если бы вместо электронов микросхемы оперировали фотонами — частицами света, техника работала бы намного быстрее.

Сегодня не представляется возможным заменить электронный микрочип фотонным аналогом, потому что такое устройство будет иметь огромные размеры. Миниатюризация потребует управления фотонами на столь маленьких масштабах, что световую волну придется локализовать в минимальном объеме. В идеале нужно собрать свет в пятно размером менее 50% длины волны, что невозможно сделать обычной линзой, — это фундаментальное ограничение называется дифракционным пределом.

Ученые из России и Дании сконструировали фокусирующий элемент, который способен превратить свет в особый вид электромагнитных волн со сжатием до 60% длины исходного излучения и потенциалом преодолеть дифракционный предел. Изготовленная коллективом металинза представляет собой квадратный кусок диэлектрика размером 5 на 5 микрометров и толщиной 0,25 микрометра. Эта частица помещена на золотую пленку толщиной 0,1 микрометра, на обратной стороне которой нанесена рельефная решетка.

При облучении такой системы лазером в плоскости раздела между золотом и диэлектриком возникает возмущение в виде так называемого поверхностного плазмона-поляритона. Оно представляет собой коллективное колебание электронов в металле (плазмон), согласованное с распространением по поверхности световой волны (поляритона).

«Один из механизмов субволновой фокусировки основан на явлении плазмонной наноструи, — рассказывает инициатор работы, профессор Томского политехнического университета Игорь Минин, — которое нам удалось впервые экспериментально зафиксировать».

Ценность этого превращения в том, что поверхностные плазмоны-поляритоны поддаются субволновой фокусировке, то есть их можно локализовать сильнее, чем породивший их лазерный импульс.

«Мы использовали компьютерное моделирование, чтобы подобрать подходящие размеры диэлектрической частицы и характеристики дифракционной решетки на золоте, — поясняет принцип уплотнения волн в суперлинзе замдиректора ИСВЧПЭ РАН и ведущий научный сотрудник лаборатории двумерных материалов и наноустройств МФТИ Дмитрий Пономарёв. — В результате поверхностная плазмонная волна имеет разную фазовую скорость на краях и в центре диэлектрика, из-за чего фронт волны изгибается и формируется плазмонная наноструя — область высокой плотности плазмонов-поляритонов».

Таким образом можно сильно локализовать излучение и манипулировать «сжатым светом» на наномасштабе, а это — необходимое условие для интеграции на чипе фотонных и плазмонных устройств, которые будут работать значительно быстрее своих электронных аналогов.

««Экспериментальное наблюдение плазмонных струй стало возможным благодаря объединению усилий ученых нашего центра и коллег из Москвы, Томска и Копенгагена, — добавляет директор Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Валентин Волков. — Наше сотрудничество будет продолжено — в ближайшем будущем мы продемонстрируем другие интересные эффекты, связанные с образованием, распространением и применением плазмонных струй».

Работа была поддержана Российским научным фондом и Российским фондом фундаментальных исследований. Статья опубликована в журнале Optics Letters.

На рисунке: Лазерный импульс, падающий на золотую пленку, преобразуется в поверхностные плазмоны-поляритоны — особые электромагнитные колебания, которые распространяются в плоскости металлической пленки и, проходя под квадратной диэлектрической частицей, фокусируются до 60% исходной длины волны. Чем сильнее фокусировка, тем миниатюрнее может быть техника. Дизайнер: Дарья Сокол, пресс-служба МФТИ

Директор Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Валентин Волков. Подобный инструмент использовался исследователями, чтобы впервые наблюдать плазмонную нанострую. Источник: Евгений Пелевин, пресс-служба МФТИ

Директор Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Валентин Волков. Подобный инструмент использовался исследователями, чтобы впервые наблюдать плазмонную нанострую. Источник: Евгений Пелевин, пресс-служба МФТИ

Источник:

  • Пресс-служба МФТИ

Ссылка:

Карточка организации:

Добавить комментарий

  • 29
  • 30
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 7
  • 8
  • 9
  • 10
  • 11
  • 12
  • 13
  • 14
  • 15
  • 16
  • 17
  • 18
  • 19
  • 20
  • 21
  • 22
  • 23
  • 24
  • 25
  • 26
  • 27
  • 28
  • 29
  • 30
  • 31
  • 1
  • 2