Лазер создал электронный хаос внутри наночастицы

Ученые разработали трехмерную динамическую модель взаимодействия света с кремниевыми наночастицами. Вычисления показали, что при очень коротком воздействии мощного лазерного импульса симметрия частицы временно нарушается, а ее оптические свойства при этом становятся сильно неоднородными. Поскольку изменение свойств зависит от размеров частиц, с их помощью можно управлять светом на наномасштабе и создавать устройства для сверхбыстрой обработки информации. Результаты сотрудников Университета ИТМО, полученные совместно с зарубежными коллегами, опубликованы в журнале Advanced Optical Materials.

Вычислительные устройства совершенствуют, чтобы ускорить обработку 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. 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 соавтор работы Сергей Макаров. — 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. — 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 биткоинов. Но мы решили обогатить человечество новым знанием, вместо того, чтобы обогатиться самим».

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».

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.