Gli ingegneri hanno costruito un nanorisonatore dielettrico che concentra la luce in un volume pari a 12 volte
Qual è il limite di diffrazione?
Fino a poco tempo fa tra i fisici c'eranoÈ opinione diffusa che sia impossibile comprimere la luce al di sotto del cosiddetto limite di diffrazione. Questa è la dimensione minima dello spot che può essere ottenuta focalizzando la radiazione elettromagnetica.
L'eccezione è l'uso del metallonanoparticelle, che però assorbono anche la luce. Sembrava quindi impossibile comprimerlo fortemente in materiali dielettrici come il silicio. E questo è un materiale chiave per lo sviluppo dei dispositivi futuri. Hanno un vantaggio importante: non assorbono la luce.
È interessante notare che nel 2006 gli scienziati teoricamentedimostrato che il limite di diffrazione non si applica ai dielettrici. Nessuno però è riuscito a dimostrarlo nella pratica. Il motivo è semplice: gli ingegneri non sono stati in grado di costruire la nanostruttura dielettrica necessaria.
Ora i dipendenti dell'Università TecnicaLa Danimarca ci è riuscita, ha costruito un nanorisonatore dielettrico che concentra la luce in un volume 12 volte inferiore al limite di diffrazione.
Cosa ha aiutato gli scienziati?
La teoria del limite di diffrazione descrive quella luceimpossibile mettere a fuoco in un volume inferiore alla metà della lunghezza d'onda nel sistema ottico. Ciò influisce, ad esempio, sulla risoluzione nei microscopi. Tuttavia, le nanostrutture possono essere composte da elementi molto più piccoli della lunghezza d'onda. Ciò significa che il limite di diffrazione non è più qualcosa di fondamentale.
Quando la luce viene compressa, diventa più intensa, esaltando l'interazione tra luce e materiali. Particolarmente dielettrico.
Cosa sono i materiali dielettrici?
I dielettrici sono materiali che non conduconocorrente elettrica. Vetro, gomma e plastica sono esempi di materiali dielettrici e contrastano con i metalli, che sono elettricamente conduttivi. Un esempio di materiale dielettrico è il silicio, che viene spesso utilizzato in elettronica e fotonica.
Qual è il problema?
Sebbene i calcoli al computer dimostrino che è possibile concentrare la luce in un punto infinitesimale, ciò è applicabile solo in teoria.
Nel nuovo studio, gli scienziati hanno utilizzatotutta la conoscenza disponibile sulla vera nanotecnologia fotonica e sui suoi attuali limiti e la caricò in un computer. Gli hanno quindi "chiesto" di trovare uno schema che raccolga i fotoni in una regione senza precedenti: una nanocavità ottica. Questo ha aiutato. Il dispositivo è stato costruito in un laboratorio della stessa università.
Schema di diffrazione di un raggio laser rosso,realizzato su un piatto dopo essere passato attraverso un piccolo foro rotondo in un altro piatto. L'ottica fisica viene utilizzata per spiegare effetti come la diffrazione. Autore: Wisky
Le nanocavità ottiche sono struttureappositamente progettato per trattenere la luce, impedendone la diffusione. È come se fosse intrappolato tra due specchi, sbattuto avanti e indietro. Quanto più gli specchi sono vicini tra loro, tanto più intensa diventa la luce tra di loro.
Da cosa e come è stato realizzato il nanorisonatore?
Per il nuovo esperimento, i fisici hanno sviluppato una struttura a forma di farfalla. Grazie alla sua forma speciale comprime i fotoni in modo particolarmente efficace. Il nanorisonatore stesso era fatto di silicio.
Il materiale per il nanorisonatore è stato sviluppato in purezzalocali universitari e i modelli su cui si basa la cavità sono stati ottimizzati e progettati utilizzando un metodo di ottimizzazione della topologia unico.
Una stanza pulita è una stanza in cui l'ariaLa dimensione e il numero per metro cubo di particelle come polvere, microrganismi, particelle di aerosol e vapori chimici vengono mantenuti entro un determinato intervallo specificato. Esistono standard internazionali speciali per tali locali; la loro pulizia è garantita da attrezzature speciali.
Originariamente sviluppato per la progettazione di ponti e ali di aerei, il metodo di ottimizzazione è stato utilizzato per strutture nanofotoniche.
Perché è così importante?
Авторы разработки уверены, их открытие имеет решающее значение для разработки революционных технологий, которые уменьшат количество потребляющих энергию компонентов в центрах обработки данных, компьютерах, телефонах и не только.
Consumo energetico di computer e centriL’elaborazione dei dati continua a crescere e c’è bisogno di architetture di chip più resilienti che consumino meno energia. Ciò può essere ottenuto sostituendo i circuiti elettrici con componenti ottici. Gli scienziati sperano che una “divisione del lavoro” tra luce ed elettroni possa aiutare in questo caso. Tutto è come in Internet, dove la luce viene utilizzata per la comunicazione e l'elettronica per l'elaborazione dei dati. L'unica differenza è che entrambe le funzioni devono essere integrate nello stesso chip. Ecco perché è così importante comprimere la luce fino alle stesse dimensioni dei componenti elettronici. Un esperimento condotto dagli scienziati ha dimostrato che ciò è effettivamente possibile.
Questo è un passo importante verso uno sviluppo maggioretecnologie ad alta efficienza energetica, come i nanolaser per le connessioni ottiche nei data center e nei futuri computer. Tuttavia, gli ingegneri hanno ancora molta strada da fare.
Qual è il prossimo?
Gli scienziati intendono continuare a lavoraree migliorare metodi e materiali per trovare la soluzione ottimale. Sono fiduciosi che saranno in grado di creare fotoni sempre più intensi con l’avanzare della tecnologia. Gli autori dello sviluppo sono convinti che questo sia solo il primo di una serie di importanti sviluppi nel campo della fisica e della nanotecnologia fotonica incentrati su questo principio.
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