Ученые замедляют и направляют свет с помощью резонансных наноантенн

Исследователи создали ультратонкие кремниевые наноантенны, которые улавливают и перенаправляют свет, что будет использоваться для создания приложений в сфере квантовых вычислениях, лидаров и даже для обнаружения вирусов. Свет, как известно, быстр. Его скорость имеет решающее значение для быстрого обмена информацией, но, когда свет проникает сквозь материалы, его шансы на взаимодействие и возбуждение атомов и молекул могут стать очень маленькими.

Если ученые смогут притормозить световые частицы или фотоны, это откроет двери для множества новых технологических приложений. Теперь, в статье, опубликованной в Nature Nanotechnology, ученые из Стэнфорда демонстрируют новый подход к значительному замедлению света, так же как эхо-камера удерживает звук и направляет его в нужном направлении.

Что из себя представляет новая технология

Исследователи совместно с Дженнифер Дионн, доцентом материаловедения и инженерии в Стэнфорде, структурировали ультратонкие кремниевые чипы в наноразмерные стержни, чтобы резонансно улавливать свет, а затем высвобождать или перенаправлять его.

Эти резонаторы с «высоким качеством» или «высокой надежностью» могут привести к новым способам управления светом и его использования, включая новые приложения для квантовых вычислений, виртуальной реальности и дополненной реальности; светового WiFi, и даже обнаружение вирусов типа SARS-CoV-2.

«По сути, мы пытаемся уловить свет в крошечной коробке, которая по-прежнему позволяет свету приходить и уходить во многих разных направлений», - сказал научный сотрудник Марк Лоуренс, который также является ведущим автором статьи. «Легко уловить свет в коробе с множеством сторон, но не так просто, если стороны прозрачны - как в случае со многими устройствами на основе кремния».

Изготовление устройства для управления светом

Прежде чем они смогут управлять светом, необходимо изготовить резонаторы, и тут появляются некоторые трудности. Центральным компонентом устройства является чрезвычайно тонкий слой кремния, который очень эффективно улавливает свет и имеет низкий уровень поглощения в ближнем инфракрасном диапазоне - спектре света, которым ученые хотят управлять.

Кремний лежит на пластине из прозрачного материала (в данном случае сапфира), на которую исследователи направляют «ручку» электронного микроскопа, чтобы выгравировать рисунок наноантенны. Рисунок должен быть нарисован как можно более плавно, поскольку эти антенны служат стенками в аналогии с эхокамерой, а лишние углы препятствуют способности улавливания света. «Резонаторы требуют наличия чрезвычайно гладких боковых стенок, которые не позволяют свету просачиваться наружу», - сказала Дионн, которая также является старшим помощником вице-проректора исследовательских платформ.

«Этого можно было бы легко достичь, если бы структура была огромна, но на наноуровне это становится серьезной проблемой». Дизайн рисунка играет ключевую роль в создании качественных наноструктур. «На компьютере я могу рисовать сверхгладкие линии и блоки любой формы, но возможности изготовления ограничены», - сказал Лоуренс. «В конечном итоге нам пришлось найти конструкцию, которая обеспечивала бы хорошие характеристики улавливания света, но не выходила за рамки существующих методов изготовления».

Высочайшее качество нового устройства

Работа с дизайном привела к тому, что Дионн и Лоуренс описывают как важную платформенную технологию с множеством практических приложений. Устройства продемонстрировали так называемый коэффициент качества до 2500, что на два порядка (или в 100 раз) выше, чем у любых аналогичных устройств, созданных ранее. Факторы качества - это мера, описывающая резонансное поведение, которое в данном случае пропорционально времени жизни света. «Достигнув показателей качества в тысячах, мы уже находимся в выгодном положении для создания некоторых очень интересных технологических приложений», - сказал Дионн.

Например, биосенсор. Отдельная биомолекула настолько мала, что практически невидима. Но прохождение света над молекулой сотни или тысячи раз может значительно увеличить шанс создания заметного эффекта рассеяния. На данный момент активно ведутся работы над применением этого метода для обнаружения антигенов COVID-19 - молекул, запускающих иммунный ответ, - и антител - белков, вырабатываемых иммунной системой в ответ на болезнь. «Наша технология будет давать оптические данные, которые врачи и клиницисты привыкли видеть», - сказала Дионн.

«Но у нас есть возможность обнаружить один вирус или очень низкие концентрации множества антител из-за сильных взаимодействий легких молекул». Конструкция нанорезонаторов высокого качества также позволяет каждой антенне работать независимо для одновременного обнаружения различных типов антител. Хотя пандемия подстегнула ее интерес к обнаружению вирусов, Дионн также воодушевлена другими приложениями, такими как LIDAR - или Light Detection and Ranging, которая представляет собой лазерную технологию измерения расстояния, часто используемую в беспилотных транспортных средствах.

«Несколько лет назад я даже представить себе не могла, какой потенциал у этой работы», - сказала Дионн. «Для меня этот проект усилил важность фундаментальных исследований - вы не всегда можете предсказать, куда пойдет фундаментальная наука или к чему все приведет, но она может помочь решать проблемы, которые будут появляться в будущем». Это нововведение также может быть полезно в квантовой науке. Например, разделение фотонов для создания запутанных фотонов, которые остаются связанными на квантовом уровне даже на большом расстоянии друг от друга, обычно требует больших настольных оптических экспериментов с дорогими точно полированными кристаллами.

«Если мы сможем это сделать, но будем использовать наши наноструктуры для управления и формирования этого запутанного света, возможно, однажды у нас будет генератор запутанности, который вы сможете держать в руке», - сказал Лоуренс. «Хоть мы и достигли определенных высот, это не повод останавливаться, ведь впереди еще так много открытий».