Исследовательская группа из DTU успешно спроектировала и построила структуру, так называемую диэлектрическую нанополость, которая концентрирует свет в объеме, в 12 раз меньшем предела дифракции. Результат является новаторским в оптических исследованиях и только что был опубликован в Сообщения о природе.

"Хотя компьютерные расчеты показывают, что вы можете сконцентрировать свет в бесконечно малой точке, это применимо только в теории. Фактические результаты ограничены тем, насколько мелкие детали могут быть изготовлены, например, на микрочипе", - говорит Маркус Альбрехтсен, аспирант DTU Electro и первый автор новой статьи.

"Мы запрограммировали наши знания о реальной фотонной нанотехнологии и ее нынешних ограничениях в компьютер. Затем мы попросили компьютер найти схему, которая собирает фотоны на беспрецедентно малой площади - в оптической нанополости, - которую мы также смогли создать в лаборатории ".

Оптические нанополости - это структуры, специально разработанные для удержания света, чтобы он не распространялся так, как мы привыкли, а отбрасывался назад и вперед, как если бы вы поставили два зеркала лицом друг к другу. Чем ближе вы располагаете зеркала друг к другу, тем интенсивнее становится свет между зеркалами. Для этого эксперимента исследователи разработали так называемую структуру "бабочка", которая особенно эффективна при сжатии фотонов вместе благодаря своей особой форме.

Междисциплинарные усилия и превосходные методы

Нанополость изготовлена из кремния, диэлектрического материала, на котором основаны самые передовые современные технологии. Материал для нанополости был разработан в лабораториях чистых помещений DTU, а шаблоны, на которых основана полость, оптимизированы и спроектированы с использованием уникального метода оптимизации топологии, разработанного в DTU. Первоначально разработанный для проектирования мостов и крыльев самолетов, он теперь также используется для нанофотонных структур.

"Для достижения этого прорыва потребовались большие совместные усилия. Это стало возможным только потому, что нам удалось объединить ведущие мировые исследования нескольких исследовательских групп DTU", - говорит доцент Сорен Стоббе, который руководил исследовательской работой."

Важный прорыв в области энергоэффективных технологий

Это открытие может иметь решающее значение для разработки новых революционных технологий, которые могут сократить количество энергопотребляющих компонентов в центрах обработки данных, компьютерах, телефонах и т.д.

Потребление энергии компьютерами и центрами обработки данных продолжает расти, и существует потребность в более устойчивых архитектурах чипов, которые потребляют меньше энергии. Этого можно достичь, заменив электрические схемы оптическими компонентами. Видение исследователей состоит в том, чтобы использовать то же разделение труда между светом и электронами, что и в Интернете, где свет используется для связи, а электроника - для обработки данных. Единственное отличие заключается в том, что обе функции должны быть встроены в один и тот же чип, что требует, чтобы свет был сжат до того же размера, что и электронные компоненты. Прорыв в DTU показывает, что это, на самом деле, возможно.

"Нет сомнений в том, что это важный шаг к разработке более энергоэффективной технологии, например, для нанолазеров для оптических соединений в центрах обработки данных и будущих компьютерах, но впереди еще долгий путь", - говорит Маркус Альбрехтсен.

Теперь исследователи будут работать дальше и совершенствовать методы и материалы, чтобы найти оптимальное решение.

"Теперь, когда у нас есть теория и метод, мы сможем создавать все более интенсивные фотоны по мере развития окружающих технологий. Я убежден, что это только первое из длинной серии крупных разработок в области физики и фотонной нанотехнологии, сосредоточенных вокруг этих принципов", - говорит Серен Стоббе, который недавно получил грант от Европейского исследовательского совета в размере 2 миллионов евро на разработку совершенно нового типа источника света на основе новые полости.

Фон

Предел дифракции

Теория предела дифракции описывает, что свет не может быть сфокусирован в объеме, меньшем половины длины волны в оптической системе - например, это относится к разрешающей способности микроскопов.

Однако наноструктуры могут состоять из элементов, намного меньших длины волны, что означает, что предел дифракции больше не является фундаментальным пределом. Структуры в виде бабочки, в частности, могут сжимать свет в очень маленькие объемы, ограниченные размерами бабочки и, следовательно, качеством наноизделий.

Когда свет сжимается, он становится более интенсивным, усиливая взаимодействие между светом и материалами, такими как атомы, молекулы и двумерные материалы.

Диэлектрические материалы

Диэлектрические материалы являются электроизоляционными. Стекло, резина и пластик являются примерами диэлектрических материалов, и они контрастируют с металлами, которые являются электропроводящими.

Примером диэлектрического материала является кремний, который часто используется в электронике, а также в фотонике.

Исследование проводилось в DTU на кафедрах DTU Electro, DTU Nanolab и DTU Construct в рамках сотрудничества в центре передового опыта DNRF NanoPhoton, возглавляемом профессором Йеспером Мерком.