Ingenieure haben einen dielektrischen Nanoresonator gebaut, der Licht auf ein zwölffaches Volumen konzentriert
Was ist die Beugungsgrenze?
Bis vor kurzem gab es unter Physikern solcheEs wird allgemein angenommen, dass es unmöglich ist, Licht unter die sogenannte Beugungsgrenze zu komprimieren. Dies ist die minimale Punktgröße, die durch Fokussierung elektromagnetischer Strahlung erreicht werden kann.
Eine Ausnahme bildet die Verwendung von MetallNanopartikel, die jedoch auch Licht absorbieren. Daher schien es unmöglich, es in dielektrischen Materialien wie Silizium stark zu komprimieren. Und dies ist ein Schlüsselmaterial für die Entwicklung zukünftiger Geräte. Sie haben einen wichtigen Vorteil: Sie absorbieren kein Licht.
Interessanterweise haben Wissenschaftler im Jahr 2006 theoretischbewiesen, dass die Beugungsgrenze nicht für Dielektrika gilt. Allerdings konnte dies niemand in der Praxis nachweisen. Der Grund ist einfach: Ingenieure waren nicht in der Lage, die erforderliche dielektrische Nanostruktur zu bauen.
Jetzt die Mitarbeiter der Technischen UniversitätDänemark war erfolgreich und baute einen dielektrischen Nanoresonator, der Licht in einem Volumen konzentriert, das zwölfmal kleiner als die Beugungsgrenze ist.
Was hat Wissenschaftlern geholfen?
Die Beugungsgrenzentheorie beschreibt dieses Lichtkann nicht in einem Volumen fokussiert werden, das kleiner als die halbe Wellenlänge im optischen System ist. Dies wirkt sich beispielsweise auf die Auflösung in Mikroskopen aus. Allerdings können Nanostrukturen aus Elementen bestehen, die viel kleiner als die Wellenlänge sind. Dies bedeutet, dass die Beugungsgrenze nicht mehr grundlegend ist.
Wenn Licht komprimiert wird, wird es intensiver und verbessert die Wechselwirkung zwischen Licht und Materialien. Besonders dielektrisch.
Was sind dielektrische Materialien?
Dielektrika sind Materialien, die nicht leitend sindelektrischer Strom. Glas, Gummi und Kunststoff sind Beispiele für dielektrische Materialien und stehen im Gegensatz zu Metallen, die elektrisch leitend sind. Ein Beispiel für ein dielektrisches Material ist Silizium, das sowohl in der Elektronik als auch in der Photonik häufig verwendet wird.
Was ist das Problem?
Obwohl Computerberechnungen zeigen, dass es möglich ist, Licht auf einen unendlich kleinen Punkt zu konzentrieren, ist dies nur theoretisch anwendbar.
In der neuen Studie verwendeten Wissenschaftlerdas gesamte verfügbare Wissen über echte photonische Nanotechnologie und ihre aktuellen Grenzen gesammelt und in einen Computer geladen. Anschließend „baten“ sie ihn, ein Muster zu finden, das Photonen in einem beispiellos kleinen Bereich sammelt – einem optischen Nanohohlraum. Das hat geholfen. Das Gerät wurde in einem Labor derselben Universität gebaut.
Beugungsmuster eines roten Laserstrahls,auf einer Platte hergestellt, nachdem sie durch ein kleines rundes Loch in einer anderen Platte geführt wurden. Physikalische Optik wird verwendet, um Effekte wie Beugung zu erklären. Autor: Wisky
Optische Nanokavitäten sind StrukturenSpeziell entwickelt, um Licht zu halten und dessen Ausbreitung zu verhindern. Es ist, als wäre er zwischen zwei Spiegeln gefangen und würde hin und her geworfen. Je näher die Spiegel beieinander stehen, desto intensiver wird das Licht zwischen ihnen.
Woraus besteht der Nanoresonator und wie?
Für ein neues Experiment haben Physiker eine Struktur in Form eines Schmetterlings entwickelt. Dank seiner speziellen Form komprimiert es Photonen besonders effektiv. Der Nanoresonator selbst bestand aus Silizium.
Das Material für den Nanoresonator wurde in reiner Form entwickeltRäumlichkeiten der Universität, sowie die Templates, auf denen der Hohlraum basiert, wurden mit einem einzigartigen Topologieoptimierungsverfahren optimiert und gestaltet.
Ein Reinraum ist ein Raum, in dem die Luftdie Größe und Anzahl von Partikeln wie Staub, Mikroorganismen, Aerosolpartikeln und chemischen Dämpfen pro Kubikmeter werden innerhalb eines bestimmten vorbestimmten Bereichs gehalten. Für solche Räumlichkeiten gibt es spezielle internationale Standards, deren Sauberkeit durch spezielle Geräte gewährleistet ist.
Ursprünglich für den Entwurf von Brücken und Flugzeugflügeln entwickelt, wurde das Optimierungsverfahren für nanophotonische Strukturen eingesetzt.
Warum ist das wichtig?
Die Autoren der Entwicklung sind zuversichtlich, dass ihre Entdeckung gelungen istDies ist entscheidend für die Entwicklung revolutionärer Technologien, die die Anzahl energieverbrauchender Komponenten in Rechenzentren, Computern, Telefonen und mehr reduzieren.
Energieverbrauch von Computern und ZentrenDie Datenverarbeitung wächst weiter und es besteht ein Bedarf an robusteren Chiparchitekturen, die weniger Strom verbrauchen. Dies kann durch den Ersatz elektrischer Schaltkreise durch optische Komponenten erreicht werden. Wissenschaftler hoffen, dass eine „Arbeitsteilung“ zwischen Licht und Elektronen hier Abhilfe schafft. Alles ist wie im Internet, wo Licht zur Kommunikation und Elektronik zur Datenverarbeitung genutzt wird. Der einzige Unterschied besteht darin, dass beide Funktionen im selben Chip eingebaut sein müssen. Deshalb ist es so wichtig, Licht auf die gleiche Größe wie elektronische Komponenten zu komprimieren. Ein Experiment von Wissenschaftlern zeigte, dass dies tatsächlich möglich ist.
Dies ist ein wichtiger Schritt zur Weiterentwicklungenergieeffiziente Technologien wie Nanolaser für optische Verbindungen in Rechenzentren und zukünftigen Computern. Allerdings haben die Ingenieure noch einen langen Weg vor sich.
Was weiter?
Wissenschaftler wollen weiterarbeitenund Methoden und Materialien verbessern, um die optimale Lösung zu finden. Sie sind zuversichtlich, dass sie mit fortschreitender Technologie in der Lage sein werden, immer intensivere Photonen zu erzeugen. Die Autoren der Entwicklung sind überzeugt, dass dies nur die erste einer Reihe großer Entwicklungen auf dem Gebiet der Physik und der photonischen Nanotechnologie ist, die sich auf dieses Prinzip konzentrieren.
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