Совершенствование вычислительных устройств сегодня направлено на ускорение обработки информации. Нанофотоника – одна из дисциплин, призванных решить эту задачу. Оптический сигнал можно передавать и обрабатывать гораздо быстрее, чем электрический. Но сначала необходимо научиться очень быстро управлять светом на малых масштабах. Для этого можно использовать, например, металлические частицы. Они локализуют свет эффективно, но при этом возникает много потерь и сигнал быстро ослабевает. Альтернативой металлу служат диэлектрики и полупроводники, такие как кремний.
Кремниевые наночастицы сейчас очень активно изучают по всему миру, в том числе в Университете ИТМО. Глобальная цель таких исследований – создать компактные и быстрые модуляторы оптического сигнала, которые послужат основой компьютеров будущего. Чтобы достигнуть этой цели, надо понять, как наночастицы взаимодействуют со светом.
«Когда лазерный импульс попадает в частицу, внутри нее появляется множество свободных электронов, – объясняет Сергей Макаров, руководитель лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО. – Образуется область, насыщенная противоположно заряженными частицами, так называемая электрон-дырочная плазма, которая меняет оптические свойства частицы. До сих пор считалось, что плазма распределяется по частице равномерно и симметрия частицы при этом сохраняется. Мы показали, что это не совсем правда: равномерное распределение плазмы в частице – далеко не единственный вариант развития событий».
Оказалось, что электромагнитное поле, возникающее при взаимодействии света с частицей, имеет сложную структуру. Это приводит к искажению света, которое меняется со временем. При этом симметрия частиц нарушается. Это означает, что оптические свойства частицы изменяются неодинаково по всему объему.
«Используя аналитические и численные методы, мы впервые заглянули внутрь такой частицы и показали, что процессы, которые там происходят, сложнее, чем мы думали, – комментирует Константин Ладутенко, сотрудник Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО. – Более того, мы выяснили, что, меняя размер частицы, можно повлиять на ее проведение при взаимодействии со световым сигналом. Значит, мы сможем прогнозировать траекторию сигнала в системе наночастиц».
«Чтобы создать инструмент для анализа процессов внутри наночастиц, мы объединили усилия с коллегами из Университета Жана Моне во Франции, – добавляет Константин. – Мы предложили аналитические методы для определения диапазона размеров и показателя преломления частиц, при которых можно ожидать изменения оптических свойств. А дальше с помощью мощных вычислительных методов проанализировали выбранный диапазон, чтобы отследить процессы в частицах. Коллеги делали вычисления на компьютере с графическими ускорителями. Такие часто служат для майнинга биткойнов. Но мы решили обогатить человечество новым знанием вместо того, чтобы обогатиться самим. Тем более, тогда курс биткойна как раз начал падать».
Устройства на основе таких наночастиц могут стать базовым элементом оптических компьютеров, точно так же как транзисторы сейчас – базовый элемент электроники. С их помощью можно будет распределять и перенаправлять сигнал или делать разветвления.
«Сфера применения таких асимметричных структур широка, но основное место мы отводим сверхбыстрой обработке сигналов, – продолжает Сергей. – Сейчас у нас появился мощный теоретический инструмент, который поможет нам разработать системы управления светом на очень малых масштабах в пространстве и во времени».
Статья: “Photogenerated Free Carrier-Induced Symmetry Breaking in Spherical Silicon Nanoparticle”.
A. Rudenko, K. Ladutenko, S. Makarov, T. Itina. Advanced Optical Materials Jan. 29, 2018
