Un team di fisici dell'Università ITMO, MIPT, e l'Università del Texas ad Austin hanno sviluppato una nanoantenna non convenzionale che disperde la luce in una direzione particolare a seconda dell'intensità della radiazione incidente. I risultati della ricerca contribuiranno allo sviluppo di un'elaborazione ottica flessibile delle informazioni nei sistemi di telecomunicazione.

I fotoni, i portatori della radiazione elettromagnetica, non hanno né massa né carica elettrica. Ciò significa che la luce è relativamente difficile da controllare, a differenza di, Per esempio, elettroni, che può essere controllato applicando un campo elettrico costante. Però, dispositivi come le nanoantenne consentono un certo grado di controllo sulla propagazione delle onde elettromagnetiche.

Un'area che richiede la manipolazione della luce "avanzata" è lo sviluppo dei computer ottici. In questi dispositivi, l'informazione non è trasportata da elettroni, ma dai fotoni. L'uso della luce al posto delle particelle cariche ha il potenziale per migliorare notevolmente la velocità di trasmissione ed elaborazione delle informazioni. La realizzazione di questi computer richiede nanoantenne specifiche con caratteristiche che possono essere manipolate in qualche modo, applicando un campo elettrico o magnetico costante, ad esempio, o variando l'intensità della luce incidente.

Nel documento pubblicato in Recensioni su laser e fotonica , i ricercatori hanno progettato una nuova nanoantenna non lineare che può cambiare la direzione della diffusione della luce a seconda dell'intensità dell'onda incidente (Fig. 1). Al centro della nanoantenna proposta ci sono nanoparticelle di silicio, che generano plasma di elettroni sotto forti radiazioni laser. Gli autori hanno precedentemente dimostrato le possibilità di utilizzare queste nanoparticelle per il controllo non lineare e ultrarapido della luce. I ricercatori sono quindi riusciti a manipolare porzioni di radiazioni luminose sparse in avanti e indietro. Ora, modificando l'intensità della luce incidente, hanno trovato un modo per indirizzare un raggio di luce diffusa nella direzione desiderata.

Per ruotare il diagramma di radiazione della nanoantenna, gli autori hanno utilizzato il meccanismo di eccitazione del plasma nel silicio. La nanoantenna è un dimero:due nanosfere di silicio di diametri disuguali. Irradiato con un debole raggio laser, questa antenna diffonde la luce lateralmente a causa della sua forma asimmetrica (schema blu in Fig. 2A). I diametri delle due nanoparticelle sono scelti in modo che una particella sia risonante alla lunghezza d'onda della luce laser. Irradiato da un intenso impulso laser, plasma di elettroni viene generato nella particella risonante che provoca cambiamenti nelle proprietà ottiche della particella. L'altra particella rimane non risonante, e il potente campo laser ha scarso effetto su di esso. Parlando in generale, scegliendo accuratamente la dimensione relativa di entrambe le particelle in combinazione con i parametri del fascio incidente (durata e intensità), è possibile rendere la dimensione delle particelle praticamente la stessa, che consente all'antenna di far rimbalzare il fascio luminoso in avanti (schema rosso in Fig. 2a).

"Le nanoantenne ottiche esistenti possono controllare la luce in una gamma abbastanza ampia. Tuttavia, questa capacità è solitamente incorporata nella loro geometria e nei materiali di cui sono fatti, quindi non è possibile configurare queste caratteristiche in qualsiasi momento, "dice Denis Baranov, uno studente post-laurea al MIPT e l'autore principale del documento. "Le proprietà della nostra nanoantenna, però, possono essere modificati dinamicamente. Quando lo illuminiamo con un debole impulso laser, otteniamo un risultato, ma con un forte impulso, il risultato è completamente diverso".

Gli scienziati hanno eseguito la modellazione numerica del meccanismo di diffusione della luce, Figura 2b. La simulazione ha mostrato che quando la nanoantenna è illuminata con un debole raggio laser, la luce si disperde lateralmente. Però, illuminare la nanoantenna con un intenso impulso laser porta alla generazione di plasma di elettroni all'interno del dispositivo e il modello di diffusione ruota di 20 gradi (linea rossa). Ciò offre l'opportunità di deviare gli impulsi incidenti deboli e forti in direzioni diverse.

Sergey Makarov, un ricercatore senior presso il Dipartimento di nanofotonica e metamateriali dell'Università ITMO afferma, "In questo studio, ci siamo concentrati sullo sviluppo di un chip ottico su scala nanometrica che misura meno di 200×200×500 nanometri. Questo è molto inferiore alla lunghezza d'onda di un fotone, che porta le informazioni. Il nuovo dispositivo ci consentirà di cambiare la direzione della propagazione della luce a una velocità molto migliore rispetto agli analoghi elettronici. Il nostro dispositivo sarà in grado di distribuire un segnale in due canali ottici in un brevissimo lasso di tempo, che è estremamente importante per i moderni sistemi di telecomunicazione."

Oggi, le informazioni vengono trasmesse tramite fibre ottiche a velocità fino a centinaia di Gbit/s. Però, anche i moderni dispositivi elettronici elaborano questi segnali abbastanza lentamente, a velocità di pochi Gbit/s per singolo elemento. La proposta nanoantenna ottica non lineare può risolvere questo problema, in quanto opera a 250 Gbit/s. Ciò apre la strada all'elaborazione ultraveloce delle informazioni ottiche. L'antenna non lineare sviluppata dai ricercatori offre maggiori opportunità di controllare la luce su scala nanometrica, che richiedeva per sviluppare con successo computer fotonici e altri dispositivi simili.