Inżynierowie zbudowali nanorezonator dielektryczny, który koncentruje światło do 12-krotnej objętości
Jaka jest granica dyfrakcji?
Do niedawna wśród fizyków byłyPowszechnie uważa się, że nie da się skompresować światła poniżej tzw. granicy dyfrakcyjnej. Jest to minimalny rozmiar plamki, jaki można uzyskać poprzez skupienie promieniowania elektromagnetycznego.
Wyjątkiem jest użycie metalunanocząstki, które jednak pochłaniają również światło. Dlatego wydawało się niemożliwe silne skompresowanie go w materiałach dielektrycznych, takich jak krzem. A to kluczowy materiał do rozwoju przyszłych urządzeń. Mają jedną istotną zaletę – nie pochłaniają światła.
Co ciekawe, w 2006 roku naukowcy teoretycznieudowodniono, że granica dyfrakcyjna nie dotyczy dielektryków. Jednak nikt nie był w stanie wykazać tego w praktyce. Powód jest prosty – inżynierom nie udało się zbudować niezbędnej nanostruktury dielektrycznej.
Obecnie pracownicy PolitechnikiDanii się udało, zbudowali nanorezonator dielektryczny, który skupia światło w objętości 12 razy mniejszej niż granica dyfrakcji.
Co pomogło naukowcom?
Teoria granicy dyfrakcyjnej opisuje to światłoniemożliwe jest skupienie w objętości mniejszej niż połowa długości fali w układzie optycznym. Na przykład wpływa to na rozdzielczość w mikroskopach. Jednakże nanostruktury mogą składać się z elementów znacznie mniejszych niż długość fali. Oznacza to, że granica dyfrakcyjna nie jest już czymś fundamentalnym.
Kiedy światło jest ściśnięte, staje się bardziej intensywne, wzmacniając interakcję między światłem a materiałami. Szczególnie dielektryk.
Co to są materiały dielektryczne?
Dielektryki to materiały, które nie przewodząprąd elektryczny. Szkło, guma i plastik to przykłady materiałów dielektrycznych i kontrastujących z metalami, które przewodzą prąd elektryczny. Przykładem materiału dielektrycznego jest krzem, który jest często stosowany w elektronice i fotonice.
Jaki jest problem?
Chociaż obliczenia komputerowe pokazują, że możliwe jest skupienie światła w nieskończenie małym punkcie, ma to zastosowanie tylko w teorii.
W nowym badaniu naukowcy wykorzystalicałą dostępną wiedzę na temat prawdziwej nanotechnologii fotonicznej i jej obecnych ograniczeń i załadował ją do komputera. Następnie „poprosili” go o znalezienie wzoru gromadzącego fotony w bezprecedensowo małym obszarze – nanownęce optycznej. Pomogło. Urządzenie zbudowano w laboratorium na tej samej uczelni.
Wzór dyfrakcyjny czerwonej wiązki laserowej,wykonane na talerzu po przejściu przez mały okrągły otwór w innym talerzu. Optyka fizyczna służy do wyjaśnienia efektów, takich jak dyfrakcja. Autor: Wiski
Nanownęki optyczne są strukturamispecjalnie zaprojektowane, aby utrzymać światło, zapobiegając jego rozprzestrzenianiu się. To tak, jakby był uwięziony pomiędzy dwoma lustrami i rzucany tam i z powrotem. Im bliżej siebie znajdują się lustra, tym intensywniejsze staje się światło między nimi.
Z czego zbudowany jest nanorezonator i jak?
W ramach nowego eksperymentu fizycy opracowali strukturę w kształcie motyla. Dzięki specjalnemu kształtowi szczególnie skutecznie kompresuje fotony. Sam nanorezonator wykonano z krzemu.
Materiał na nanorezonator został opracowany w stanie czystymterenie uczelni, a szablony, na których opiera się wnęka, zostały zoptymalizowane i zaprojektowane przy użyciu unikalnej metody optymalizacji topologii.
Czysty pokój to pokój, w którym jest powietrzewielkość i liczba na metr sześcienny cząstek, takich jak pył, mikroorganizmy, cząsteczki aerozolu i opary chemiczne, są utrzymywane w określonym z góry zakresie. Istnieją specjalne międzynarodowe standardy dla takich pomieszczeń, ich czystość zapewnia specjalne wyposażenie.
Pierwotnie opracowana do projektowania mostów i skrzydeł samolotów, metoda optymalizacji została wykorzystana do struktur nanofotonicznych.
Dlaczego to ważne?
Autorzy opracowania są pewni, że ich odkrycie mama kluczowe znaczenie dla opracowywania rewolucyjnych technologii, które zmniejszają liczbę elementów zużywających energię w centrach danych, komputerach, telefonach i nie tylko.
Zużycie energii komputerów i centrówPrzetwarzanie danych stale rośnie i istnieje zapotrzebowanie na bardziej odporne architektury chipów, które zużywają mniej energii. Można to osiągnąć poprzez zastąpienie obwodów elektrycznych elementami optycznymi. Naukowcy mają nadzieję, że pomoże w tym „podział pracy” pomiędzy światłem i elektronami. Wszystko jest jak w Internecie, gdzie do komunikacji wykorzystuje się światło, a elektronikę do przetwarzania danych. Jedyna różnica polega na tym, że obie funkcje muszą być wbudowane w ten sam chip. Dlatego tak ważne jest, aby skompresować światło do tego samego rozmiaru, co elementy elektroniczne. Eksperyment przeprowadzony przez naukowców pokazał, że jest to rzeczywiście możliwe.
To ważny krok w stronę dalszego rozwojuenergooszczędne technologie, takie jak nanolasery do połączeń optycznych w centrach danych i komputerach przyszłości. Jednak przed inżynierami jeszcze długa droga.
Co dalej?
Naukowcy planują kontynuować praceoraz udoskonalać metody i materiały, aby znaleźć optymalne rozwiązanie. Są pewni, że w miarę postępu technologii będą w stanie wytwarzać fotony o coraz większej intensywności. Autorzy opracowania są przekonani, że jest to dopiero pierwszy z szeregu znaczących osiągnięć w dziedzinie fizyki i nanotechnologii fotonicznej skupionych na tej zasadzie.
Czytaj więcej:
Archeolodzy oficjalnie potwierdzili legendy biblijne
Okazało się, co dzieje się z komórkami ciała, gdy serce umiera
Zhakowany sygnał Starlink, który ma być używany jako alternatywa dla GPS