Ученые из Университета Райса разработали способ расположения наночастиц металлов в форме дисков в геометрические узоры, который позволяет создавать оптические процессоры, преобразующие входящий сигнал света в выходящий свет другого цвета. Это крупное достижение группы, состоящей из физиков-теоретиков и инженеров прикладной физики из лаборатории Райса, занимающейся нанофотоникой (LANP), описывается в последнем номере «Трудов Национальной академии наук».

Для создания своего устройства команда ученых использовала метод, известный как «четырех волновое смешивание», или «ЧВ — смешивание». В этом методе входящий свет может непосредственно управляться другим светом. «ЧВ — смешивание» широко изучалось и до этого, но впервые с помощью структур из нанодисков, появилась возможность производить материалы, которые могут работать с широким спектром входных и выходных цветовых сигналов.

«Универсальность является одним из преимуществ этого процесса, — сказала соавтор исследования Наоми Халас (Naomi Halas), директор LANP, профессор электротехники и вычислительной техники, профессор биомедицинской инженерии, химии, физики и астрономии. — То есть мы можем не только отправить два луча различного цвета и получить на выходе луч третьего цвета, но мы можем точно настроить весь механизм преобразования, так чтобы «ЧВ – смешивание» осуществлялось в широком спектре цветов».

Обработка информации внутри современных компьютеров, смартфонов и планшетов осуществляется с помощью электрических сигналов. Если для этого использовать свет вместо электричества, то можно получить более быстрые и потребляющие меньшую энергию компьютеры, значительно увеличить технологии виртуализации  серверов Microsoft Windows Server Standard, который купить можно без особых проблем. Но как считают ученые, создание оптических компьютеров осложняется квантовыми правилами, которым подчиняется свет.

«В большинстве случаев, один луч света не будет взаимодействовать с другим, — сказал соавтор нового исследования, физик-теоретик LANP Питер Нордландер (Peter Nordlander). — Например, если вы возьмете два фонарика, и будете светить ими на стену, так чтобы их лучи пересекались, то ничего не произойдет. Свет, который исходит от первого фонарик, никак не влияет на свет от второго фонарика».

«Но ситуация в корне меняется, если свет движется в нелинейной среде», — пояснил ученый. — Электромагнитные свойства нелинейной среды позволят свету одного луча взаимодействовать с другим. Таким образом, если вы будете светить двумя фонариками в нелинейной среде, то интенсивность луча одного фонарик будет зависеть от интенсивности второго луча».

С помощью наноструктур из металлических дисков ученые создали своего рода нелинейную среду. Эти структуры были изготовлены с использованием электронно-лучевой литографии, позволившей им вытравить «шайбы» из золота, которые были размещены на прозрачной поверхности для оптического тестирования. Диаметр каждого диска составлял приблизительно одну тысячную толщины человеческого волоса. Каждый из дисков был предназначен для «сбора» энергии света определенной частоты. Создавая структуры из десятков таких близкорасположенных дисков, исследователи могли увеличивать нелинейные свойства системы, путем создания интенсивных электрических полей между дисками.

«Наша система использует конкретный плазмонный эффект, называемый «резонансом Фано», для повышения эффективности относительно слабого нелинейного эффекта, лежащего в основе «ЧВ – смешивания», — сказал Нордландер. — В результате это приводит к увеличению интенсивности излучения третьего цвета, производимого устройством».

Аспирант и соавтор Ю-Ронг Жен (Yu-Rong Zhen) вычислил точное размещение 12 дисков, необходимое для получения двух когерентных резонансов Фано, а аспирант и соавтор Ю Жанг (Yu Zhang) создал устройство, которое осуществляет «ЧВ – смешивание» и использует впервые созданный материал.

«Устройство, которое создал Жанг для «ЧВ-смешивания», является наиболее эффективным из всех, которые до этого были изготовлены для такой цели. Но значение этих исследований выходит за рамки конструкторского успеха создателей, — сказала Халас, которая недавно была назначена членом Национальной академии наук за ее новаторские исследования в нанофотонике. — Методы, используемые для создания этого устройства, могут быть применены для производства широкого спектра нелинейных сред, с заданными оптическими свойствами».

Источник