Содержание |
2023
Разработка наноустройства применяемое, как транзистор для оптического компьютера
Физики ИТМО и Академического университета им. Ж.И. Алферова разработали устройство, которое может применяться как транзистор для оптического компьютера. Разработка позволяет без использования электрических проводников создавать электрическое поле в наноструктуре. Ученые смогли не только теоретически описать этот процесс, но и экспериментально продемонстрировать его в наноантенне. Результаты исследования опубликованы в журнале Light: Science & Applications. Об этом 21 сентября 2023 года сообщили в ИТМО. Подробнее здесь.
*Обнаруженный эффект наночастиц позволит создавать наноантенны для квантовых и оптических компьютеров
Международный коллектив физиков показал, что определенная форма позволяет наночастицам быть в электромагнитном смысле больше своих геометрических размеров. Об этом 14 августа 2023 года сообщили представители МФТИ. Обнаруженный эффект поможет в создании биологических сенсоров, материалов для солнечных батарей и элементов оптических и квантовых компьютеров. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
В диэлектрической фотонике, изучающей, как свет взаимодействует с наночастицами из различных непроводящих структур, существовал теоретический предел рассеяния света наночастицей.
 | «Когда излучение лазера падает на наночастицу, она рассеивает электромагнитную энергию в виде набора четко определенных сферических волн — мультиполей. Каждый мультиполь — это канал рассеяния, по которому утекает часть рассеянной энергии. В научном сообществе широко было признано, что каждый такой канал не может нести мощность больше определенного предела», — рассказывает Адриа Канос Валеро, первый автор исследования, научный сотрудник ИТМО. |  |
Научная группа под руководством Александра Шалина из МФТИ исследовала, как максимизировать рассеяние от кластеров наночастиц. В ходе работы ученые обнаружили, что в большинстве ситуаций рассеяние больше, чем предполагалось. Сначала исследователи подумали, что это численная ошибка. Но затем быстро поняли, что в основе лежит физический принцип. Михаил Рожков, PARMA TG: Большинство наших BPM-проектов выходят за рамки отдельных процессов и организаций 
Оказалось, что существовавший ранее предел рассеяния хорошо определен для идеальных сценариев: когда свет рассеивается на сферической частице или на бесконечно длинном нанопроводе. В общем случае при рассеянии образуются несколько каналов-мультиполей, которые могут интерферировать, увеличивая или уменьшая мощность, которую они несут. Ученые задумались, насколько еще можно выйти за предел рассеяния.
Ключ к ответу на этот вопрос лежал в физике связанных состояний в континууме. А именно, в особом виде интерферирующих резонансов, известных как механизм резонансов Фридриха — Винтгена. Ранее были описаны квазисостояния с сильно подавленным рассеянием. В них возникает деструктивная интерференция, когда волны от мультиполей складываются «в противофазе», подавляя друг друга. Исследователи поняли, что в их случае резонансы с увеличенным рассеянием следуют той же физике. Только интерференция получается конструктивная: когда волны складываются «в фазе», усиливая друг друга.
Ученые построили модель и рассчитали форму наночастиц, при которых можно «нарушить» предел и добиться сверхрассеяния. Затем экспериментаторы по рецепту теоретиков изготовили подходящие керамические частицы и проверили предсказания с помощью микроволновой спектроскопии.
| | «Это, прежде всего, фундаментальный эффект. Некоторые коллеги, которым я кратко рассказывал о наших результатах, не верили: говорили, что так не может быть. Теперь они могут почитать статью и убедиться, что может», — рассказывает Александр Шалин, руководитель исследования, ведущий научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических структур МФТИ. | |
Помимо фундаментальной важности, у сверхрассеяния есть и потенциальные практические приложения. Так как этот эффект очень чувствительный, на его основе можно будет разрабатывать биосенсоры и материалы для солнечных батарей, а также оптические наноантенны для квантовых и оптических компьютеров.
| | «Одно из потенциальных практических применений, которое хорошо иллюстрирует обнаруженный эффект, — это создание некоторого щита от электромагнитных сил и излучения. На картинке видно, что свет частицу огибает, а тень получается значительно больше самой частицы. Получается, что за ней можно `спрятать` что-то крупнее, чем сама частица», — поясняет Александр Шалин. | |
Исследование выполнено при поддержке Федеральной программы академического лидерства «Приоритет 2030».
Российские физики обнаружили материал для создания компактных световых компьютеров
В начале июня 2023 года физики из России и Европы выявили, что двумерную форму нитрида бора можно использовать для создания ультрафиолетовых волноводов и различных других нанофотонных устройств.
Как сообщается в пресс-службе Московского физико-технического института (МФТИ), исследователи долгое время полагали, что все твердые материалы в природе имеют только трехмерную форму. Но уже к середине столетия математики и физики-теоретики доказали обратное: «плоские» атомные структуры могут существовать в принципе и что они могут быть стабильными.
Научный сотрудник МФТИ Георгий Долгопрудный рассказал о том, что ультрафиолетовая нанофотоника только зарождается. Нужно уменьшить длину волны света, чтобы уменьшать размеры фотонных устройств. Ученые продемонстрировали, что нитрид бора прекрасно подходит для этого в связи с тем, что у него очень высокая оптическая анизотропия. Долгопрудный добавил, что ученые из МФТИ и коллеги из Института физики РАН пришли к такому выводу в ходе опытов с гексагональным нитридом бора, одной их форм двумерных материалов с необычными физическими и оптическими свойствами. Долгопрудный сообщил, что им удалось найти, переходный мостик, который позволял бы перейти от электроники к фотонике. На июнь 2023 года, ученые продолжают свою работу над тем, чтобы в реальной квантовой интегральной схеме показать это превосходство света по сравнению с электроном.
По информации МФТИ, ученым удалось впервые измерить оптические свойства гексагонального нитрида бора. Исследователи выяснили, что этот материал обладает рекордно высоким коэффициентом преломления - 2,75 при взаимодействии с ультрафиолетовым излучением. По словам исследователей, гексагональный нитрид бора можно использовать для создания фотонных элементов порядка десятков нанметров, а это сопоставимо с размерами транзисторов в интегральных схемах компьютерных схем.
Первый исследовательский материал под названием графен был обнаружен в 2004 году. Позднее в физике и химии были открыты многие другие плоские материалы, не уступавшие по своим свойствам этому материалу: соединения серы и молибдена, гексагональный нитрид бора и другие простые по структуре вещества.[1]
2021: Ученые создали структуру для разработки компактных деталей оптического компьютера
Группа ученых из Университета ИТМО, Национального Университета Колумбии и Университета Сиены разработала особую по своим свойствам структуру. С ее помощью можно намного эффективнее управлять электромагнитными поверхностными волнами — локализованными волнами, которые распространяются вдоль различных поверхностей. Это открывает иные возможности в создании компактных оптических устройств для передачи и обработки данных. Об этом Университет ИТМО сообщил 19 августа 2021 года.
Явление поверхностных волн изучено учеными уже достаточно давно. Наглядный пример этого явления — поверхностные волны на воде, которые выглядят как расходящиеся круги от брошенного камня. Электромагнитные поверхностные волны в оптике — это перспективный способ передачи локализованного света в плоскости, который важен для разработки миниатюрных оптических и оптоэлектронных систем передачи и обработки данных — антенн и усилителей, оптических схем и передатчиков, экранов и сенсоров, а также элементов оптического компьютера. Однако есть ряд проблем, не позволяющих внедрить этот метод в реальные устройства.
| | Так как поверхностные волны расходятся кругами, на больших расстояниях от источника они теряют практически всю энергию. Тогда ученые научились передавать оптический сигнал из точки в точку в режиме каналирования, когда волна распространяется узким пучком вдоль заданного направления. Но используя этот режим, достаточно сложно переключаться между разными направлениями распространения света. И, кроме того, в режиме каналирования раньше никому не удавалось контролировать поляризацию передаваемых в плоскости волн. Поляризация света — это фактически оптический бит, то есть управление поляризацией позволяет `зашивать` информацию в свет, - объяснил научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Олег Ермаков. | |
Ученым ИТМО удалось решить все эти задачи с помощью особого типа двумерной структуры — самодополняющей метаповерхности, состоящей из двух периодически повторяющихся элементов: дипольной антенны и щели в металлическом слое такой же формы.
| | Наша структура подчиняется принципу Бабине, благодаря чему элементы метаповерхности переходят в себя при инверсии, открывая особые свойства. Удивительно, что следуя этому фундаментальному и давно известному закону оптики нам удалось реализовать достаточно простую структуру и сразу решить многие задачи, над которыми ученые бились годами, - добавил Олег Ермаков. | |
Пока что предложенная структура может работать только в микроволновом, терагерцовом и дальнем инфракрасном диапазонах. То есть полученную метаповерхность можно уменьшить только в тысячу раз, а, например, не в миллион. При этом ученые уверены, что данную технологию возможно реализовать и в видимом диапазоне с помощью диэлектрических структур, над чем они и продолжают работу.
Исследование проводилось при поддержке Российского научного фонда, Российского фонда фундаментальных исследований и Фонда развития теоретической физики и математики «БАЗИС».
Смотрите также
