Наноантенна — устройство, превращающее свободно распространяющийся свет в сильно локализованный (сжатый в несколько десятков нанометров). Локализация позволяет эффективно управлять светом на наноуровне, поэтому в будущем наноантенны смогут стать базовыми элементами оптических компьютеров нового поколения, использующих фотоны вместо электронов для обработки и передачи информации. Эта неизбежная замена носителя информации связана с тем, что световой сигнал на несколько порядков превосходит электрический по информационной емкости, требует меньших энергетических затрат, исключает нагрев микросхем и обеспечивает высокую скорость обмена данными.
До сих пор изготовление планарных массивов перестраиваемых гибридных наноантенн для манипулирования светом считалось весьма трудоемким процессом. Для решения этой проблемы исследователи из Университета ИТМО совместно с коллегами из Санкт-Петербургского академического университета и Объединенного института высоких температур в Москве впервые разработали методику создания массивов гибридных наноантенн и высокоточной настройки отдельных наноантенн в составе массива. Достичь этого удалось путем последовательного проведения двух этапов: литографии и избирательного воздействия на «полуфабрикат» фемтосекундным лазером — лазером сверхкоротких импульсов.
В ходе исследования выяснилось, что гибридные наноантенны крайне перспективны с точки зрения оптической записи информации со сверхвысокой плотностью. Современные оптические диски позволяют записывать информацию с плотностью около 10 Гбит/дюйм2, что соответствует размерам одного пикселя в несколько сот нанометров. Несмотря на то, что такие габариты сопоставимы с разработанными гибридными наночастицами, ученые дополнительно предлагают контролировать их цвет во всем видимом диапазоне. Эта манипуляция приводит к добавлению еще одной «размерности» для записи информации, что существенно увеличивает емкость носителя информации.
Помимо сверхплотной записи информации, метод избирательной модификации гибридных наноантенн поможет создавать новые дизайны гибридных метаповерхностей, волноводов, а также компактных сенсоров для экологического мониторинга окружающей среды. В связи с этим в ближайшей перспективе исследователи планируют заострить внимание на разработке конкретных применений перестраиваемых гибридных наноантенн.
Полученные наноантенны состоят из двух компонентов: усеченного кремниевого конуса и расположенного на нем золотого диска. Ученые показали, что при помощи наномасштабного лазерного плавления можно с высокой точностью изменять форму золотой частицы, не затрагивая кремниевую. Причем при изменении формы только золотой частицы также изменяются оптические свойства наноантенны в целом, так как достигается различная степень наложения резонансов кремниевой и золотой наночастиц в составе наноантенны.
«Наша технология позволяет плавно перестраивать оптические свойства наноантенн путем избирательного лазерного плавления золотых частиц, поскольку от интенсивности воздействия лазера зависит, останется ли золотая частица диском, превратится в „чашечку“ или примет форму шара. Данная методика позволяет за доли секунды получить гибридную функциональную наноструктуру с заданными свойствам», — рассказывает Сергей Макаров, один из авторов работы, заместитель заведующего Отделением диэлектрической нанофотоники кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО.
Так, преимущество нового метода перед обычным нагревом выражается в возможности проводить настройку отдельных наноантенн в составе массива и с высокой точностью управлять оптическими свойствами гибридных наноструктур.
«В предложенной нами концепции асимметричной гибридной наноантенны мы объединили два, как считалось прежде, альтернативных друг другу направления: плазмонику и диэлектрическую нанофотонику. Наши гибридные наноструктуры унаследовали их преимущества — локализацию и усиление света в наномасштабе, низкие оптические потери, а также возможность управления диаграммой направленности. В свою очередь, применение лазерного плавления позволяет точно и быстро менять оптические свойства таких структур и в перспективе записывать информацию с крайне высокой плотностью», — заключает Дмитрий Зуев, ведущий автор работы, научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО.
Статья: «Fabrication of Hybrid Nanostructures via Nanoscale Laser-Induced Reshaping for Advanced Light Manipulation», Dmitry A. Zuev, Sergey V. Makarov, Valentin A. Milichko, Sergey V. Starikov, Ivan S. Mukhin, Ivan A. Morozov, Ivan I. Shishkin, Alexander E. Krasnok, and Pavel A. Belov. Advanced Materials, Feb 22, 2016.
