Ingenjörer har byggt en dielektrisk nanoresonator som koncentrerar ljus till en volym som är 12 gånger
Vad är diffraktionsgränsen?
Tills nyligen fanns det bland fysikerDet anses allmänt att det är omöjligt att komprimera ljus under den så kallade diffraktionsgränsen. Detta är den minsta punktstorlek som kan erhållas genom att fokusera elektromagnetisk strålning.
Undantaget är användningen av metallnanopartiklar, som dock också absorberar ljus. Därför verkade det omöjligt att komprimera det kraftigt i dielektriska material som kisel. Och detta är ett nyckelmaterial för utvecklingen av framtida enheter. De har en viktig fördel - de absorberar inte ljus.
Intressant nog, 2006, forskare teoretisktbevisat att diffraktionsgränsen inte gäller för dielektrikum. Ingen har dock kunnat påvisa detta i praktiken. Anledningen är enkel - ingenjörer kunde inte bygga den nödvändiga dielektriska nanostrukturen.
Nu anställda på Tekniska HögskolanDanmark lyckades, de byggde en dielektrisk nanoresonator som koncentrerar ljus i en volym 12 gånger mindre än diffraktionsgränsen.
Vad hjälpte forskare?
Diffraktionsgränsteori beskriver det ljusetomöjligt att fokusera i en volym som är mindre än halva våglängden i det optiska systemet. Detta påverkar till exempel upplösningen i mikroskop. Men nanostrukturer kan vara sammansatta av element som är mycket mindre än våglängden. Detta innebär att diffraktionsgränsen inte längre är något fundamentalt.
När ljus komprimeras blir det mer intensivt, vilket förstärker interaktionen mellan ljus och material. Särskilt dielektrisk.
Vad är dielektriska material?
Dielektrika är material som inte lederelström. Glas, gummi och plast är exempel på dielektriska material och står i kontrast till metaller som är elektriskt ledande. Ett exempel på ett dielektriskt material är kisel, som ofta används inom såväl elektronik som fotonik.
Vad är problemet?
Även om datorberäkningar visar att det är möjligt att koncentrera ljus till en oändlig punkt, är detta bara tillämpligt i teorin.
I den nya studien använde forskareall tillgänglig kunskap om verklig fotonisk nanoteknik och dess nuvarande begränsningar och laddade in den i en dator. De "bad" honom sedan att hitta ett mönster som samlar fotoner i ett aldrig tidigare skådat litet område – en optisk nanokavitet. Det hjälpte. Apparaten byggdes i ett laboratorium vid samma universitet.
Diffraktionsmönster för en röd laserstråle,gjord på en platta efter att ha passerat genom ett litet runt hål i en annan platta. Fysisk optik används för att förklara effekter som diffraktion. Författare: Wisky
Optiska nanokaviteter är strukturerspeciellt utformad för att hålla ljus och förhindra att det sprids. Det är som att han är instängd mellan två speglar och kastas fram och tillbaka. Ju närmare speglarna är placerade, desto mer intensivt blir ljuset mellan dem.
Vad är nanoresonatorn gjord av och hur?
För ett nytt experiment har fysiker utvecklat en struktur i form av en fjäril. Tack vare sin speciella form komprimerar den fotoner särskilt effektivt. Själva nanoresonatorn var gjord av kisel.
Materialet för nanoresonatorn utvecklades i renuniversitetets lokaler och mallarna som kaviteten bygger på optimerades och designades med en unik topologioptimeringsmetod.
Ett rent rum är ett rum där luftenstorleken och antalet per kubikmeter av partiklar såsom damm, mikroorganismer, aerosolpartiklar och kemiska ångor hålls inom ett visst förutbestämt intervall. Det finns speciella internationella standarder för sådana lokaler, deras renlighet säkerställs av specialutrustning.
Ursprungligen utvecklad för design av broar och flygplansvingar, har optimeringsmetoden använts för nanofotoniska strukturer.
Varför är detta viktigt?
Författarna till utvecklingen är övertygade om att deras upptäckt haravgörande för att utveckla revolutionerande teknik som minskar antalet energikrävande komponenter i datacenter, datorer, telefoner med mera.
Energiförbrukning av datorer och centralerDatabehandlingen fortsätter att växa och det finns ett behov av mer motståndskraftiga chiparkitekturer som förbrukar mindre ström. Detta kan uppnås genom att ersätta elektriska kretsar med optiska komponenter. Forskare hoppas att en "arbetsfördelning" mellan ljus och elektroner kommer att hjälpa här. Allt är som på Internet, där ljus används för kommunikation och elektronik används för databehandling. Den enda skillnaden är att båda funktionerna måste byggas in i samma chip. Det är därför det är så viktigt att komprimera ljus till samma storlek som elektroniska komponenter. Ett experiment av forskare visade att detta verkligen är möjligt.
Det här är ett viktigt steg mot att utveckla merenergieffektiv teknik, såsom nanolasrar för optiska anslutningar i datacenter och framtida datorer. Ingenjörerna har dock en lång väg kvar att gå.
Vad är nästa?
Forskare planerar att fortsätta arbetaoch förbättra metoder och material för att hitta den optimala lösningen. De är övertygade om att de kommer att kunna skapa allt intensivare fotoner i takt med att tekniken går framåt. Författarna till utvecklingen är övertygade om att detta bara är den första av en rad stora utvecklingar inom fysik och fotonisk nanoteknik som fokuserar på denna princip.
Läs mer:
Arkeologer har officiellt bekräftat legenderna från Bibeln
Det visade sig vad som händer med kroppens celler när hjärtat dör
Starlink-signal hackad för att användas som ett alternativ till GPS