Шарики управляют светом
Физик из МГУ предложил использовать диэлектрические наношарики в качестве элементов оптических систем различного назначения, в частности, компьютеров будущего.
Современные компьютеры используют для работы движения электронов, но эта технология уже близка к пределам возможностей. Она ограничена физическими факторами, препятствующими уменьшению размеров и частоты. Даже такие прекрасные проводники, как медь или платина, перестают проводить электрический ток на частотах видимого света (порядка 1014 Гц). В настоящее время быстродействие процессоров уже близко к своему максимуму, и повышение быстродействия компьютеров обеспечивается распараллеливанием вычислений. Появились двухъядерные, а потом четырехъядерные бытовые компьютеры. Следует ожидать дальнейшего увеличения ядер, однако этот процесс не может продолжаться бесконечно.
В поисках решения проблемы физики обращаются к так называемым оптическим компьютерам, использующим вместо электронов фотоны. Поэтому множество исследовательских групп по всему миру работают сейчас над созданием сверхбыстрых оптических систем, которые смогли бы заменить электронные схемы. Они необходимы также для развития оптической связи.
Такие системы должны иметь как можно меньшие размеры. Но в традиционной оптике линз и зеркал размер системы не может быть меньше длины волны, которая в видимой области составляет порядка 0,5 микрона. Для современных электронных устройств со сверхплотной упаковкой элементов это очень большой масштаб. Чтобы эффективно конкурировать с такими электронными схемами, соответствующие оптические схемы должны быть работоспособными на масштабах много меньших длины волны. Эти задачи решает новая современная дисциплина, получившая название субволновой оптики. Задача субволновой оптики – манипулировать излучением на масштабах, меньших длины волны, что в традиционной оптике считается принципиально невозможным.
Первоначально много надежд возлагалось на взаимодействии света с плазмонами, колебаниями электронного газа свободных электронов в металлах. У металлических шариков размером порядка 10 нанометров плазмонные резонансные частоты находятся как раз в оптическом диапазоне. Это позволяет, облучая частицы, преобразовывать свет в плазмоны. Но оказалось, что на этих частотах плазмоны, как правило, сильно затухают.
Поэтому в последние годы исследователи переключились на диэлектрики с большим коэффициентом преломления. Свободных электронов там нет, все они связаны со своими атомами, поэтому под воздействием света не могут возникать токи проводимости. Однако электромагнитная волна действует на электроны внутри каждого атома, смещая их из положения равновесия. Такое явление называется поляризацией. Чем больше степень поляризации, тем выше показатель преломления у вещества. Оказалось, что взаимодействие со светом шарика, изготовленного из такого диэлектрика, во многом похоже на плазмонный резонанс в металлах, но в отличие от металлов многие диэлектрики на оптических частотах имеют малое затухание. Именно поэтому, например, прозрачны стекла.
Впервые о некоторых особенностях взаимного превращения плазмонов и фотонов задумался Михаил Трибельский. В далеком 1984 году он опубликовал об этом статью, в которой предположил существование нового вида рассеяния света. Но тогда это никого не заинтересовало, ведь нанотехнологий еще и в помине не было. Первая ссылка на эту работу появилась лишь через двадцать лет, в 2004 году. Сегодня же открытое им рассеяние широко признано и носит название "аномального".
В соответствии с теорией Трибельского диэлектрический шарик имеет резонансные частоты колебаний поляризации. Каждая частота соответствует возбуждению определенного типа колебаний, называемых гармониками. Каждая гармоника имеет фиксированную зависимость интенсивности рассеянного излучения от угла, под которым происходит рассеяние. Гармоники интерферируют друг с другом. Возбуждая определенные гармоники, можно управлять этой интерференцией. А это, в свою очередь, позволяет перераспределять падающее излучение в желаемом направлении. Этот эффект и может быть использован в системах оптического компьютера.
В экспериментах с диэлектрическим шариком диаметром в два сантиметра, изготовленным из специальной керамики, ученые "научили" его переизлучать направленное на него электромагнитное излучение в другом направлении, причем это направление можно существенно изменять незначительным изменением частоты излучения.
Вы можете сказать, что 2 см – это не наномасштаб! Но тут на помощь исследователям пришел эффект масштабирования. Явления рассеяния будут одинаковы для тел с одной формой и коэффициентом преломления, но разного размера, если для каждого из них отношение линейных размеров к длине волны излучения одно и то же. Благодаря этому, явления, происходящие на наномасштабах в оптическом диапазоне, удалось смоделировать в сантиметровом диапазоне при помощи микроволнового излучения, такого же, как в обычной микроволновке. Однако, это не означает, что эксперимент был прост. Достаточно сказать, что исследователям удалось выделить полезный сигнал на фоне паразитного, амплитуда которого была в 3000 раз (!) больше полезного.
Оптические компьютеры – это пока лишь отдаленная перспектива, но уже сейчас оптические системы на основе диэлектрических шариков могут найти применение в телекоммуникационных системах; системах записи, обработки и хранения информации; в системах диагностики и лечения различных заболеваний, включая онкологические, и пр. Важно, что технология изготовления таких наношариков для их работы в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах относительно проста и не требует дорогостоящих материалов.
...
Подпись к изображению 2: Изображения поверхностей интенсивности излучения, рассеянного шариком в разных направлениях. Излучение падает на шарик вдоль прямой зеленой линии. Поверхность строится так: из центра шарика проведем линию в некотором направлении. Вдоль нее отложим отрезок, длина которого равна интенсивности излучения, рассеянного в этом направлении. Получим точку в пространстве. Перебрав все направления, получим поверхность. Параметр q пропорционален частоте падающей волны. Видно, что малые изменения q приводят к радикальной перестройке направленности рассеянного излучения.
По материалам МГУ им. М.В.Ломоносова
