Uma representação artística da dispersão de luz não linear por um dímero de duas partículas de silício com um padrão de radiação variável. Crédito:MIPT
Uma equipe de físicos da ITMO University, MIPT, e a Universidade do Texas em Austin desenvolveram uma nanoantena não convencional que espalha a luz em uma direção específica dependendo da intensidade da radiação incidente. Os resultados da pesquisa ajudarão no desenvolvimento de processamento óptico flexível de informações em sistemas de telecomunicações.
Os fótons - os portadores da radiação eletromagnética - não têm massa nem carga elétrica. Isso significa que a luz é relativamente difícil de controlar, diferente, por exemplo, elétrons, que pode ser controlado pela aplicação de um campo elétrico constante. Contudo, dispositivos como nanoantenas permitem um certo grau de controle sobre a propagação de ondas eletromagnéticas.
Uma área que requer a manipulação de luz "avançada" é o desenvolvimento de computadores ópticos. Nestes dispositivos, a informação não é transportada por elétrons, mas por fótons. Usar luz em vez de partículas carregadas tem o potencial de melhorar muito a velocidade de transmissão e processamento de informações. Tornar esses computadores uma realidade requer nanoantenas específicas com características que podem ser manipuladas de alguma forma - aplicando um campo elétrico ou magnético constante, por exemplo, ou variando a intensidade da luz incidente.
No artigo publicado em Resenhas de laser e fotônica , os pesquisadores projetaram uma nova nanoantena não linear que pode mudar a direção do espalhamento da luz dependendo da intensidade da onda incidente (Fig. 1). No coração da nanoantena proposta estão as nanopartículas de silício, que geram plasma de elétrons sob forte radiação de laser. Os autores demonstraram anteriormente as possibilidades de uso dessas nanopartículas para o controle não linear e ultrarrápido da luz. Os pesquisadores então conseguiram manipular porções de radiação de luz espalhada para frente e para trás. Agora, alterando a intensidade da luz incidente, eles encontraram uma maneira de direcionar um feixe de luz espalhado na direção desejada.
Os resultados da simulação de espalhamento não linear de luz por uma nanoantena de duas partículas de silício. Crédito:MIPT
Para girar o padrão de radiação da nanoantena, os autores usaram o mecanismo de excitação de plasma em silício. A nanoantena é um dímero - duas nanoesferas de silício de diâmetros desiguais. Irradiado com um feixe de laser fraco, esta antena espalha a luz lateralmente devido à sua forma assimétrica (diagrama azul na Fig. 2A). Os diâmetros das duas nanopartículas são escolhidos de modo que uma partícula seja ressonante no comprimento de onda da luz do laser. Irradiado com um pulso de laser intenso, plasma de elétrons é gerado na partícula ressonante que causa mudanças nas propriedades ópticas da partícula. A outra partícula permanece não ressonante, e o poderoso campo de laser tem pouco efeito sobre ele. De um modo geral, escolhendo com precisão o tamanho relativo de ambas as partículas em combinação com os parâmetros do feixe incidente (duração e intensidade), é possível fazer com que o tamanho das partículas seja virtualmente o mesmo, que permite que a antena reflita o feixe de luz para a frente (diagrama vermelho na Fig. 2a).
"As nanoantenas ópticas existentes podem controlar a luz em uma faixa bastante ampla. No entanto, essa habilidade geralmente está embutida em sua geometria e nos materiais de que são feitos, portanto, não é possível configurar essas características a qualquer momento, "diz Denis Baranov, um estudante de pós-graduação no MIPT e o autor principal do artigo. "As propriedades de nossa nanoantena, Contudo, pode ser modificado dinamicamente. Quando o iluminamos com um impulso de laser fraco, temos um resultado, mas com um forte impulso, o resultado é completamente diferente. "
Os cientistas realizaram modelagem numérica do mecanismo de espalhamento de luz, Fig. 2b. A simulação mostrou que quando a nanoantena é iluminada com um feixe de laser fraco, a luz se espalha para os lados. Contudo, iluminar a nanoantena com um impulso de laser intenso leva à geração de plasma de elétrons dentro do dispositivo e o padrão de espalhamento gira em 20 graus (linha vermelha). Isso fornece uma oportunidade para desviar os impulsos incidentes fracos e fortes em diferentes direções.
Sergey Makarov, um pesquisador sênior do Departamento de Nanofotônica e Metamateriais da ITMO University diz:"Neste estudo, nós nos concentramos no desenvolvimento de um chip óptico em nanoescala medindo menos de 200 × 200 × 500 nanômetros. Isso é muito menor do que o comprimento de onda de um fóton, que carrega a informação. O novo dispositivo nos permitirá mudar a direção da propagação da luz em uma taxa muito melhor em comparação com análogos eletrônicos. Nosso dispositivo será capaz de distribuir um sinal em dois canais ópticos em um espaço de tempo muito curto, o que é extremamente importante para os sistemas de telecomunicações modernos. "
Hoje, as informações são transmitidas por meio de fibras ópticas a velocidades de até centenas de Gbit / s. Contudo, até mesmo dispositivos eletrônicos modernos processam esses sinais bem devagar, em velocidades de apenas alguns Gbit / s para um único elemento. A nanoantena óptica não linear proposta pode resolver este problema, uma vez que opera a 250 Gbit / s. Isso abre caminho para o processamento ultrarrápido de informações ópticas. A antena não linear desenvolvida pelos pesquisadores oferece mais oportunidades para controlar a luz em nanoescala, que é necessário para desenvolver com sucesso computadores fotônicos e outros dispositivos semelhantes.
