Для аспиранта Международного центра нанофотоники и метаматериалов Анастасии Залогиной эта публикация – дебют на международной научной арене, а для ее коллеги – кандидата физико-математических наук Сергея Макарова публикация в престижном научном журнале стала уже третьей. Более того, ученые подготовили ее по специальному приглашению для юбилейного выпуска Laser & Photonics Reviews, посвященному десятилетнему юбилею журнала.
«В 2017 году один из лучших журналов в области фотоники Laser & Photonics Reviews празднует свое десятилетие. Чтобы отпраздновать юбилей, журнал пригласил лучших авторов, которые внесли существенный вклад в область фундаментальной и прикладной фотоники. Целью юбилейного выпуска является публикация серии высококачественных статей, которые обеспечат как обзор текущего прогресса современной фотоники, так и обсуждение новых направлений. Онлайн-выпуск будет доступен уже после фактического празднования юбилея журнала в течение 2017 года», – отмечает куратор подготовки обзора, почетный профессор Университета ИТМО Юрий Кившарь.
Все соавторы сходятся во мнении, что обзор занимает особое место в современной фотонике, являясь уникальным обобщением накопленных знаний в нелинейной оптике наноструктур, новых оптических материалах, оптической нанолитографии и других смежных областях. Авторы надеются, что благодаря ему исследователям всего мира станет проще ориентироваться в том множестве различных подходов, позволяющих управлять светом на наномасштабах.
«Что будет с веществом, если мы посветим на него светом очень слабо, например, как солнце на стекло? В повседневной жизни под действием света с окружающими нас объектами почти ничего не происходит. Свет просто проходит сквозь материал, рассеивается или отражается. С другой стороны, ни для кого не секрет, что если светить на материал очень мощным излучением, то можно оплавить его или даже испарить. Но что происходит между этими двумя состояниями, когда ничего не произошло с веществом и когда мы его необратимо повредили? Оказывается, этот диапазон содержит в себе очень глубокую физику и большой потенциал для приложений», – поделился Сергей Макаров.
Если светить на материал ультракоротким лазерным импульсом с определенной интенсивностью света, то можно очень быстро изменить свойства вещества, которые могут восстановиться к первоначальным значениям также через очень короткое время. Причем такое изменение сильно зависит от свойств самого материала, что является предметом активных исследований с момента появления лазеров, генерирующих ультракороткие импульсы.
Основные надежды применения данного эффекта связывают с созданием сверхбыстрых модуляторов в оптических компьютерах, которые могут заменить их электронные аналоги, имеющие ограничение по скорости обработки информации на уровне десятков гигагерц. Сегодня многие крупные фирмы (например, IBM) занимаются вопросом создания оптических транзисторов, позволяющих значительно ускорить обработку информации. Периодически появляются новости о том, что разработчики создали полностью оптический модулятор, однако их размеры пока существенно больше, чем размеры электронных устройств. Проблема в том, что «размер» фотона в несколько раз больше, чем у электрона. Поэтому для создания компактных оптических чипов необходимо сделать следующий шаг – создать наноразмерные оптические модуляторы, чему и посвящена одна из частей представленного обзора в Laser & Photonics Reviews.
Помимо обобщения всей известной литературы по данному направлению, авторы обзора отмечают и свой вклад в данную область. Например, в 2015 году ученые Университета ИТМО показали, что оптический модулятор можно сделать на одной наночастице кремния (ее размер был менее 200 нанометров). А в прошлом году ими же был предложен сверхбыстрый и компактный маршрутизатор оптических импульсов на основе двух наночастиц кремния. Если подобные наночастицы уложить периодическим образом, получится метаповерхность, которая может демонстрировать более сильную модуляцию или маршрутизацию оптического сигнала. Стоит отметить, что профессор Юрий Кившарь является одним из пионеров в области нелинейных метаповерхностей и метаматериалов. В его лаборатории в Австралийском национальном университете активно исследуется применение метаповерхностей в голографии, а также модуляции оптических сигналов. По прогнозам исследователей, в будущем можно будет создавать динамически перестраиваемые цветные голограммы, которые заложат фундамент для создания 3D-мониторов.
Авторы обзора не ограничились только обобщением области сверхбыстрой обработки информации с помощью наноструктур. Действительно, просто повышая интенсивность света, можно достичь необратимого изменения свойств материала в очень ограниченной области, что используется, например, в лазерной записи информации. Однако запись информации сфокусированным лазерным пучком ограничена дифракционным пределом, и для дальнейшего уплотнения записи необходимо воздействовать лазером не на плоские поверхности (как в случае CD- и DVD-дисками), а на поверхности с наноструктурами. Например, в одной из недавних работ соавторов данного обзора было показано, что при помощи ультракоротких импульсов можно плавно менять цвет отдельных пикселей, представляющих собой двойные металлодиэлектрические наночастицы. Изменение цвета производилось за счет локального оплавления металлической части наночастиц и изменения ее формы. А уже в настоящем обзоре авторы систематизировали результаты недавних аналогичных работ, где использовались другие материалы и дизайны наноструктур.
«Помимо возможности выбора интенсивности лазерного воздействия на наноструктуры, есть большое количество широко используемых материалов, например, полупроводников (кремний, арсенид галлия и пр.) и металлов (золото, серебро и пр.), а также недавно появившихся материалов, например, органо-неорганических или даже двумерных, как графен. Каждый материал имеет собственный отклик на облучение светом: один из них более подходит для сверхбыстрой модуляции сигнала, а другой – для записи информации. В нашем обзоре мы показываем, какие материалы лучше использовать для определенных приложений, что будет полезно для исследователей-оптиков, не имеющих большого опыта в материаловедении», – рассказал Сергей Макаров.
Кроме обсуждения эффектов, связанных с интенсивностью света и типами материалов, в обзоре ученые рассмотрели разные архитектуры наноструктур, которые имеют принципиально разные оптические свойства.
«Третьим аспектом является выбор типа наноструктуры. Так, добавление одной частицы к другой (создание димера) приводит к увеличению локализации падающего света, повышению чувствительности системы к изменению оптических свойств материала, а также к изменению скорости самой модуляции. Таким образом, все три параметра (интенсивность лазерного воздействия, тип материала и тип наноструктуры) в совокупности дают широчайший спектр возможностей. Наша задача была не просто перечислить эти возможности, а подвести некий фундамент, чтобы в дальнейшем исследователи могли сразу определять, какие типы наноструктур из заданных материалов лучше использовать и при какой интенсивности. Например, участие в написании данного обзора было крайне полезным для меня, так как моей основной темой исследований в аспирантуре является использование особых диэлектрических наноструктур для эффективного управления процессом излучения света из источников одиночных фотонов», – поделилась аспирантка первого года обучения Анастасия Залогина.
