I ricercatori hanno sviluppato un modello dinamico tridimensionale di un'interazione tra luce e nanoparticelle. Hanno usato un supercomputer che utilizza acceleratori grafici per i calcoli. I risultati mostrano che le particelle di silicio esposte a brevi, impulsi laser intensi perdono temporaneamente la loro simmetria. Le loro proprietà ottiche diventano fortemente eterogenee. Tale cambiamento nelle proprietà dipende dalla dimensione delle particelle. Perciò, può essere utilizzato per il controllo della luce in dispositivi di elaborazione delle informazioni ultraveloci su scala nanometrica. Lo studio è pubblicato su Materiali ottici avanzati .
Il miglioramento dei dispositivi informatici odierni richiede un'ulteriore accelerazione dell'elaborazione delle informazioni. La nanofotonica è una delle discipline in grado di risolvere questo problema mediante dispositivi ottici. Sebbene i segnali ottici possano essere trasmessi ed elaborati molto più velocemente di quelli elettronici, è prima necessario imparare a controllare la luce su piccola scala. Per questo scopo, i ricercatori usano particelle metalliche, che localizzano la luce in modo efficiente, ma indebolire il segnale, alla fine causando perdite significative. Però, materiali dielettrici e semiconduttori come il silicio possono essere utilizzati al posto del metallo.
Le nanoparticelle di silicio sono ora attivamente studiate dai ricercatori di tutto il mondo, compresa l'Università ITMO. L'obiettivo a lungo termine di tali studi è creare un modulatore compatto ultraveloce per segnali ottici. Possono servire come base per i computer del futuro. Però, questa tecnologia diventerà fattibile solo una volta che i ricercatori capiranno come le nanoparticelle interagiscono con la luce.
"Quando un impulso laser colpisce la particella, all'interno si formano molti elettroni liberi, " spiega Sergey Makarov, responsabile del Laboratorio di Nanofotonica Ibrida e Optoelettronica dell'Università ITMO. "Come risultato viene creata una regione satura di particelle di carica opposta. Di solito è chiamata plasma con lacuna elettronica. Il plasma cambia le proprietà ottiche delle particelle e fino ad ora tutti credevano che accadesse con l'intera particella contemporaneamente, in modo che la simmetria sia preservata. Abbiamo dimostrato che questo non è del tutto vero e una distribuzione uniforme del plasma all'interno delle particelle non è l'unico scenario possibile".
Gli scienziati hanno scoperto che un disturbo elettromagnetico causato dall'interazione tra luce e particelle ha una struttura più complessa. Questo porta ad una leggera distorsione, variabile con il tempo. Perciò, la simmetria delle rotture e le proprietà ottiche diventano differenti in una particella. "Utilizzando metodi analitici e numerici, per prima cosa abbiamo guardato all'interno della particella e abbiamo visto che i processi che avvengono lì sono molto più complicati di quanto pensassimo, "dice Konstantin Ladutenko, membro dell'International Research Center of Nanophotonics and Metamaterials dell'Università ITMO. "Inoltre, abbiamo scoperto che modificando la dimensione delle particelle, possiamo influenzare la sua interazione con il segnale luminoso. Quindi potremmo essere in grado di prevedere il percorso del segnale in un intero sistema di nanoparticelle".
Al fine di creare uno strumento per studiare i processi all'interno delle nanoparticelle, scienziati dell'Università ITMO hanno unito le forze con i colleghi dell'Università Jean Monnet in Francia. "Abbiamo proposto metodi analitici per determinare la dimensione delle particelle e l'indice di rifrazione, che potrebbe fornire un cambiamento nelle proprietà ottiche. Dopo, con potenti metodi computazionali abbiamo tracciato i processi all'interno delle particelle. I nostri colleghi hanno eseguito calcoli su un computer con acceleratori grafici. Tali computer sono spesso utilizzati per il mining di criptovalute. Però, abbiamo deciso di arricchire l'umanità con nuove conoscenze, piuttosto che arricchirci. Inoltre, il tasso di bitcoin ha appena iniziato a scendere allora, "dice Costantino.
I dispositivi basati su tali nanoparticelle possono diventare elementi di base di computer ottici, proprio come i transistor ora sono elementi base dell'elettronica. Consentiranno di distribuire e reindirizzare o ramificare il segnale. "Tali strutture asimmetriche hanno una varietà di applicazioni, ma ci concentriamo sull'elaborazione del segnale ultraveloce, " continua Sergey. "Ora disponiamo di un potente strumento teorico che ci aiuterà a sviluppare un sistema di gestione della luce rapido e compatto."
