Российские учёные научились управлять светом с помощью наночастиц
Российские учёные совместно с иностранными коллегами выяснили, как, изменяя геометрию кремниевых наночастиц, можно влиять на рассеивание падающего на них света. Результаты исследования помогут создать нанофотонные устройства, более чувствительные и точные, чем традиционное оборудование. Речь идёт о современных антеннах, сенсорах, детекторах, аппаратуре для дополненной реальности и голограмм. Учёные выяснили, как при создании такой техники могут быть задействованы кремниевые наночастицы в форме усечённых конусов.
Учёные из Московского физико-технического института, Университета ИТМО, Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова совместно с зарубежными коллегами выяснили, как изменение формы кремниевых наночастиц меняет их оптические свойства. Такие данные необходимы для разработки нанофотонных устройств — антенн, сенсоров, детекторов и т. д. Исследование проведено при поддержке Российского научного фонда (РНФ). Результаты опубликованы в журнале Scientific Reports. Об этом RT рассказали в пресс-службе РНФ.
«Наше исследование поможет упростить и удешевить разработку нанофотонных устройств — наноантенн для оптических и телекоммуникационных приборов, прозрачных метаповерхностей, используемых в голографии и дополненной реальности, нанолазеров, а также различных сенсоров и детекторов. В дальнейшем мы планируем более подробно исследовать ряд эффектов, которые удалось получить на кремниевых наноконусах», — пояснил RT доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ Александр Шалин.
Свет с точки зрения физики является электромагнитным излучением, в качестве переносчиков которого выступают фотоны. Когда свет падает на какой-то объект, то часть излучения отражается, а часть поглощается, рассеивается или проходит сквозь тело — в зависимости от физических свойств последнего.
Нанофотоника изучает взаимодействие света с нанометровыми структурами размером в миллиард раз меньше метра. Особый интерес для учёных представляют наночастицы из диэлектрических материалов. Напомним, к диэлектрикам относят вещества, плохо проводящие электрический ток. Попадая в электромагнитное поле, диэлектрик способен поляризоваться, одновременно меняя параметры самого поля. Это, в свою очередь, влияет на интенсивность и угол рассеяния света, попадающего на наночастицы. Ещё один важный параметр, влияющий на оптические свойства наноматериала, — геометрическая форма наночастиц.
Управление этими параметрами позволяет создавать более чувствительные оптические устройства — уже существуют нанофотонные лазеры, антенны, сенсоры и детекторы, в мире ведётся работа над созданием оптического компьютера, в котором носителями информации будут не электроны, а фотоны.
Авторы работы изучили свойства диэлектрических наночастиц из кремния, имеющих форму усечённых конусов. Выяснилось, что, изменяя высоту и радиус таких фигур, можно менять оптические свойства наночастиц — то, как рассеивается попадающий на них свет. Хотя кремний считается полупроводником, в данном случае он выступает в роли диэлектрика. Как объяснили учёные, в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне длин волн кремний обладает очень малым коэффициентом поглощения света, поэтому действует фактически как диэлектрик.
Учёным удалось рассчитать параметры наночастиц, при которых будут достигнуты эффекты Керкера, то есть свет будет рассеиваться частицей не обратно, в сторону источника света, а только вперёд. Это, в частности, позволит создать антенны, способные контролировать направление излучения, отмечают авторы исследования.
Кроме того, учёные доказали, что возможно создать наноконусы, которые вовсе не будут рассеивать свет, но при этом будут усиливать магнитные и электрические поля внутри частиц. Такие наночастицы могут найти применение в оптических усилителях для передачи информации и в других нанофотонных устройствах. Также учёным удалось достичь сверхрассеяния света, подобрав нужное соотношение высоты и диаметров верхней и нижней поверхностей усечённого конуса.