Как уже известно, современные электронные транзисторы работают на пределе своих возможностей. Помимо того, что их размеры практически достигли фундаментального предела, есть и другая насущная проблема — значительное выделение тепла при их работе. То есть значительная часть энергии тратится на их нагревание, а не на полезную работу. Некоторые ученые считают, что на смену электронным транзисторам должны прийти куда более эффективные элементы интегральной нанофотоники. Они смогут обрабатывать информацию намного быстрее своих электронных аналогов. Чтобы создать подобные устройства, ученым необходимо в определенном смысле достичь совершенства в искусстве управления светом, причем в как можно более меньших масштабах. Для решения этой проблемы Роман Савельев предлагает использовать оптические структуры, обладающие нелинейным откликом.
«Нелинейные оптические эффекты — это такие эффекты, в основе которых лежит зависимость физических параметров среды, в которой распространяется световая волна, от ее интенсивности. Благодаря этой зависимости наблюдаются такие любопытные явления, как формирование оптического солитона — уединенной волны, которая не расплывается в процессе распространения, генерация волн на частотах, отличных от частоты распространяющегося импульса, и множество других», — объясняет молодой ученый.
Стоит отметить, что учеными уже достаточно хорошо изучен ряд схожих оптических систем, в которых наблюдались формирование солитонов и генерация волн на новых частотах. К таким оптическим системам можно отнести кварцевые волокна, фотонные кристаллы, кремниевые нановолноводы и их массивы. Однако все эти структуры имеют значительные размеры в поперечном и продольном направлениях. Например, в кремниевых нановолноводах формирование солитонов наблюдалось на длинах в несколько миллиметров. Как следствие, размеры оптических элементов и устройств на их основе будут слишком велики для создания миниатюрных интегральных оптических систем.
В своем проекте Роман Савельев планирует изучать нелинейные свойства оптических наноструктур на основе массивов диэлектрических и гибридных металлодиэлектрических резонансных наночастиц. В теории, они могут стать эффективным инструментом передачи и обработки информации методами нелинейной оптики. Подобные наночастицы, которые научились изготовлять экспериментально лишь недавно, обладают рядом значительных плюсов, таких как, например, существенный магнитный и электрический резонансные отклики, спектральное положение, которых можно контролируемо смещать, изменяя размер и форму наночастиц. Это позволяет настраивать свойства структур, состоящих из таких частиц, опираясь на простой выбор нужных геометрических параметров. Кроме того, при ряде условий в таких структурах нелинейные эффекты могут усиливаться за счет резонансного отклика наночастиц. Помимо эффектов, возникающих в результате самовоздействия распространяющихся волн, интерес представляет также и нелинейная перестройка оптических свойств подобных структур внешним излучением. Так, предварительные расчеты показывают, что генерация плотной электронно-дырочный плазмы в наночастицах позволяет управлять характеристиками (скоростью, направлением излучения) люминесцирующих центров, внедренных в изучаемые нанострукутры, в широком диапазоне параметров.
Напомним, параллельно Роман Савельев участвует в проекте, посвященном изучению наноантенн. Совместно с индийскими и российскими коллегами молодой ученый прорабатывает различные сферы прикладного применения этих структур. Например, они могут подойти для повышения глубины визуализации биообъектов, а также для усовершенствования сенсорных приборов.
