Tutkijat ovat ensimmäistä kertaa rajoittaneet valon diffraktiorajaa pienempiin mittoihin nanokokoisessa dielektrisessä ontelossa. Työ, joka vahvistaa vuonna 2006 tehdyn teoreettisen ennusteen, voisi edistää uusien optisten siruarkkitehtuurien kehitystä, jotka kuluttavat vähemmän energiaa kuin sähköiset vastineensa.

Klassinen optiikkateoria väittää, että valoa ei voida fokusoida tilavuuteen, joka on pienempi kuin kuutio, jonka sivun pituus on puolet sen aallonpituudesta. Tämä on diffraktioraja, ja se rajoittaa optisten mikroskooppien resoluutiota. Viime vuosina tutkijat ovat kuitenkin käyttäneet metallinanohiukkasia kompressoimaan valon keskittämisen sijaan. Tämä puristettu valo on voimakkaampaa ja vuorovaikuttaa voimakkaammin aineen kanssa.

Metallinanohiukkasten ongelmana on kuitenkin se, että ne absorboivat valoa ja puristavat sitä, mikä johtaa optisiin häviöihin. Dielektrisistä materiaaleista valmistettujen hiukkasten pitäisi olla parempia, koska ne eivät absorboi valoa yhtä voimakkaasti, ja vuonna 2006 Michael Lipsonin johtama tiimi Columbian yliopistossa Yhdysvalloissa osoitti, että niiden korvaamisen pitäisi teoriassa toimia.

Topologian optimointi

Uusimmassa tutkimuksessa tutkijat NanoPhoton Center Tanskan teknisessä yliopistossa (DTU) valmistivat nanomittakaavan optisen ontelonsa piistä, nykyaikaisen tietotekniikan dielektrisen materiaalin työhuonemateriaalista. Kuten muutkin tällaiset ontelot, uusi nanorakenne on suunniteltu säilyttämään valoa heijastamalla sitä edestakaisin kahden peilin välissä, jotta se ei leviä normaalisti.

Onkalon suunnittelussa tutkijat käyttivät tekniikkaa nimeltä topologian optimointi, jonka ryhmän jäsen oli edelläkävijä Ole Sigmund, joka käytti sitä alun perin siltojen ja lentokoneiden siipien suunnitteluun. "Sen sijaan, että aloittaisimme suunnittelukonseptilla ja lisäisimme sitten joitakin numeerisen optimoinnin elementtejä tämän lähtökohdan ympärille, annamme tietokoneen löytää optimaalisen suunnittelun – eli sellaisen, joka puristaa valoa voimakkaimmin optisessa ontelossa", tiiminvetäjä selittää. Søren Stobbe.

Tuloksena olevan tietokoneella luodun ontelorakenteen keskellä on rusettimainen rakenne, joka rajoittaa valon tilallisesti. Rusettia ympäröivä rengasmainen rakenne auttaa parantamaan onkalon laatutekijää – resonaattoreiden luontaista ominaisuutta, joka liittyy häviömekanismien vahvuuteen.

Nanovalmistuksen haasteita

Tämän mallin valmistaminen oli vaikeaa, Stobbe sanoo. Sen rakentamiseksi heidän piti rakentaa 8 nm:n piisilta keskelle rusettirakennetta, joka puolestaan ​​oli syövytettävä kokonaan 220 nm:n piilaitekerrokseen, jossa oli lähes pystysuorat sivuseinät. Tämä olisi vaativa nanovalmistustehtävä sinänsä, mutta tutkijoiden täytyi myös vastata vielä tärkeämpään haasteeseen: toisin kuin perinteiset, esimerkiksi fotonikiteisiin tai mikropilareihin pohjautuvat nanoontelot, rusettionteloiden kannalta kriittinen ulottuvuus on avainasemassa.

"Onkalon tilatilavuus riippuu todellakin siitä, kuinka pieniä ominaisuuksia tietty valmistusprosessi mahdollistaa", Stobbe kertoo. Fysiikan maailma, "mutta prosessin muuttaminen muuttaa myös optimaalisen suunnittelun. Ratkaisimme tämän mittaamalla valmistusrajoitukset ja sisällyttämällä ne topologian optimointiin. Tämä lähestymistapa, joka on ensimmäinen kaikilla tutkimuksen tai tekniikan aloilla, varmistaa, että saamme valmistusprosessimme antaman pienimmän mahdollisen tilavolyymin."

Atomiontelo näkee saman fotonin kahdesti

Tutkijoiden mukaan työ voisi mahdollistaa energiaa säästävien optisten siruarkkitehtuurien kehittämisen datakeskusten, tietokoneiden ja puhelimien komponenteille. He tutkivat nyt useita uusia suuntia, mukaan lukien valonlähteiden istuttaminen piin sisään. "Tämä antaisi meille mahdollisuuden mitata suoraan valon ja aineen vuorovaikutuksen tehostumista onteloidemme mahdollistamilla suurilla kaistanleveyksillä", Stobbe selittää.

Toinen tutkittava näkökohta on työntää onteloiden kriittistä ulottuvuutta, jotka ovat jo lähellä mahdollista kokorajaa. Tämä vaatii täysin uusia menetelmiä piin nanovalmistukseen itsekokoamalla, mikä vaikuttaa erittäin lupaavilta, Stobbe paljastaa.

Tämä työ on kuvattu yksityiskohtaisesti Luonto Viestintä.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/worlds-smallest-photon-confined-in-dielectric-nanocavity/