Inženýři sestrojili dielektrický nanorezonátor, který koncentruje světlo do objemu, který je 12krát větší
Jaký je difrakční limit?
Donedávna mezi fyziky byliVšeobecně se má za to, že je nemožné stlačit světlo pod tzv. difrakční mez. Toto je minimální velikost skvrny, kterou lze získat fokusací elektromagnetického záření.
Výjimkou je použití kovunanočástice, které však světlo také pohlcují. Proto se zdálo nemožné jej silně stlačit v dielektrických materiálech, jako je křemík. A to je klíčový materiál pro vývoj budoucích zařízení. Mají jednu důležitou výhodu – nepohlcují světlo.
Zajímavé je, že v roce 2006 vědci teoretickydokázal, že difrakční mez neplatí pro dielektrika. To se však nikomu v praxi nepodařilo prokázat. Důvod je jednoduchý – inženýři nedokázali postavit potřebnou dielektrickou nanostrukturu.
Nyní zaměstnanci Vysokého učení technickéhoDánsko uspělo, postavili dielektrický nanorezonátor, který koncentruje světlo v objemu 12x menším, než je limit difrakce.
Co pomohlo vědcům?
Teorie difrakčních limitů popisuje toto světlonemožné zaostřit v objemu menším než polovina vlnové délky v optickém systému. To například ovlivňuje rozlišení v mikroskopech. Nanostruktury však mohou být složeny z prvků mnohem menších, než je vlnová délka. To znamená, že mez difrakce již není něco zásadního.
Když je světlo stlačeno, stává se intenzivnějším, čímž se zvyšuje interakce mezi světlem a materiály. Zvláště dielektrické.
Co jsou to dielektrické materiály?
Dielektrika jsou materiály, které nevodíelektrický proud. Sklo, pryž a plast jsou příklady dielektrických materiálů a kontrastují s kovy, které jsou elektricky vodivé. Příkladem dielektrického materiálu je křemík, který se často používá v elektronice a také ve fotonice.
Co je za problém?
Přestože počítačové výpočty ukazují, že je možné soustředit světlo do nekonečně malého bodu, je to použitelné pouze teoreticky.
V nové studii vědci použilivšechny dostupné poznatky o skutečné fotonické nanotechnologii a jejích současných omezeních a nahrál je do počítače. Poté ho „požádali“, aby našel vzor, který shromažďuje fotony v bezprecedentně malé oblasti – optické nanokavitě. To pomohlo. Zařízení bylo postaveno v laboratoři na stejné univerzitě.
Difrakční obrazec červeného laserového paprsku,vyrobený na talíři po průchodu malým kulatým otvorem v jiném talíři. Fyzikální optika se používá k vysvětlení efektů, jako je difrakce. Autor: Wisky
Optické nanodutiny jsou strukturyspeciálně navrženo tak, aby udrželo světlo a zabránilo jeho šíření. Je to, jako by byl uvězněn mezi dvěma zrcadly a byl vržen sem a tam. Čím blíže jsou zrcadla k sobě, tím intenzivnější je světlo mezi nimi.
Z čeho je nanorezonátor vyroben a jak?
Pro nový experiment vyvinuli fyzici strukturu v podobě motýla. Díky speciálnímu tvaru komprimuje fotony obzvlášť efektivně. Samotný nanorezonátor byl vyroben z křemíku.
Materiál pro nanorezonátor byl vyvinut v čistém stavuprostory univerzity a šablony, na kterých je dutina založena, byly optimalizovány a navrženy pomocí unikátní metody optimalizace topologie.
Čistá místnost je místnost, kde je vzduchvelikost a počet částic na krychlový metr, jako je prach, mikroorganismy, aerosolové částice a chemické výpary, jsou udržovány v určitém předem stanoveném rozmezí. Pro takové prostory existují speciální mezinárodní standardy, jejich čistota je zajištěna speciálním zařízením.
Optimalizační metoda, původně vyvinutá pro návrh mostů a křídel letadel, byla použita pro nanofotonické struktury.
Proč je to důležité?
Autoři vývoje jsou přesvědčeni, že jejich objev anozásadní pro vývoj revolučních technologií, které snižují počet energeticky náročných součástí v datových centrech, počítačích, telefonech a dalších.
Spotřeba energie počítačů a centerZpracování dat stále roste a existuje potřeba odolnějších čipových architektur, které spotřebují méně energie. Toho lze dosáhnout nahrazením elektrických obvodů optickými součástkami. Vědci doufají, že zde pomůže „dělba práce“ mezi světlo a elektrony. Všechno je jako na internetu, kde se ke komunikaci používá světlo a ke zpracování dat elektronika. Jediný rozdíl je v tom, že obě funkce musí být zabudovány do stejného čipu. To je důvod, proč je tak důležité komprimovat světlo na stejnou velikost jako elektronické součástky. Experiment vědců ukázal, že je to skutečně možné.
Jde o důležitý krok k dalšímu rozvojienergeticky účinné technologie, jako jsou nanolasery pro optická připojení v datových centrech a budoucích počítačích. Inženýři však mají před sebou ještě dlouhou cestu.
Co bude dál?
Vědci plánují pokračovat v prácia zdokonalovat metody a materiály k nalezení optimálního řešení. Jsou přesvědčeni, že budou moci vytvářet stále intenzivnější fotony, jak technologie postupuje. Autoři vývoje jsou přesvědčeni, že jde pouze o první z řady zásadních vývojů v oblasti fyziky a fotonické nanotechnologie zaměřených na tento princip.
Přečtěte si více:
Archeologové oficiálně potvrdili legendy z Bible
Ukázalo se, co se stane s buňkami těla, když srdce zemře
Signál Starlink byl hackerem použit jako alternativa k GPS