Os pesquisadores desenvolveram um modelo dinâmico tridimensional de uma interação entre a luz e as nanopartículas. Eles usaram um supercomputador usando aceleradores gráficos para cálculos. Os resultados mostram que as partículas de silício expostas a curto, intensos pulsos de laser perdem sua simetria temporariamente. Suas propriedades ópticas tornam-se fortemente heterogêneas. Essa mudança nas propriedades depende do tamanho da partícula. Portanto, ele pode ser usado para controle de luz em dispositivos em nanoescala de processamento de informações ultrarrápidas. O estudo é publicado em Materiais Óticos Avançados .

A melhoria dos dispositivos de computação hoje requer mais aceleração do processamento de informações. A nanofotônica é uma das disciplinas que podem resolver esse problema por meio de dispositivos ópticos. Embora os sinais ópticos possam ser transmitidos e processados ​​muito mais rápido do que os eletrônicos, primeiro é necessário aprender a controlar a luz em pequena escala. Para este propósito, pesquisadores usam partículas de metal, que localizam a luz de forma eficiente, ainda enfraquece o sinal, eventualmente causando perdas significativas. Contudo, materiais dielétricos e semicondutores, como silício, podem ser usados ​​em vez de metal.

Nanopartículas de silício são agora ativamente estudadas por pesquisadores de todo o mundo, incluindo a Universidade ITMO. O objetivo de longo prazo de tais estudos é criar um modulador compacto ultrarrápido para sinais ópticos. Eles podem servir de base para os computadores do futuro. Contudo, essa tecnologia se tornará viável apenas quando os pesquisadores entenderem como as nanopartículas interagem com a luz.

"Quando um pulso de laser atinge a partícula, muitos elétrons livres são formados dentro, "explica Sergey Makarov, chefe do Laboratório de Nanofotônica Híbrida e Optoeletrônica da Universidade ITMO. "Como resultado, uma região saturada com partículas de carga oposta é criada. Normalmente é chamada de plasma de buraco de elétron. O plasma muda as propriedades ópticas das partículas e até agora todos acreditavam que isso acontecesse com a partícula inteira simultaneamente, para que a simetria seja preservada. Mostramos que isso não é totalmente verdade e uma distribuição uniforme do plasma dentro das partículas não é o único cenário possível. "

Os cientistas descobriram que um distúrbio eletromagnético causado pela interação entre a luz e as partículas tem uma estrutura mais complexa. Isso leva a uma leve distorção, variando com o tempo. Portanto, a simetria das quebras e propriedades ópticas tornam-se diferentes ao longo de uma partícula. "Usando métodos analíticos e numéricos, primeiro olhamos dentro da partícula e vimos que os processos que ocorrem lá são muito mais complicados do que pensávamos, "diz Konstantin Ladutenko, membro do Centro Internacional de Pesquisa de Nanofotônica e Metamateriais da ITMO University. "Além disso, descobrimos que, ao alterar o tamanho da partícula, podemos afetar sua interação com o sinal de luz. Portanto, podemos ser capazes de prever o caminho do sinal em todo um sistema de nanopartículas. "

Para criar uma ferramenta para estudar os processos dentro das nanopartículas, cientistas da ITMO University uniram forças com colegas da Jean Monnet University, na França. "Propusemos métodos analíticos para determinar o tamanho de partícula e o índice de refração, que pode fornecer uma mudança nas propriedades ópticas. Após, com métodos computacionais poderosos, rastreamos processos dentro das partículas. Nossos colegas fizeram cálculos em um computador com aceleradores gráficos. Esses computadores costumam ser usados ​​para mineração de criptomoedas. Contudo, decidimos enriquecer a humanidade com novos conhecimentos, em vez de nos enriquecer. O que é mais, a taxa de bitcoin começou a cair então, "diz Konstantin.

Dispositivos baseados em tais nanopartículas podem se tornar elementos básicos de computadores ópticos, assim como os transistores agora são elementos básicos da eletrônica. Eles permitirão distribuir e redirecionar ou ramificar o sinal. "Essas estruturas assimétricas têm uma variedade de aplicações, mas nos concentramos no processamento de sinal ultrarrápido, "continua Sergey." Agora temos uma ferramenta teórica poderosa que nos ajudará a desenvolver um sistema de gerenciamento de luz rápido e compacto. "