В статье, опубликованной в журнале Applied Physics Letters и размещенной на обложке, ученые демонстрируют, что они ограничили свет в нанополости — наноструктурированной области кремниевой пластины — на наносекунды. Обычно за это время свет проходит несколько метров, но вместо этого наноструктура ограничивает свет в области не более одной сотой ширины человеческого волоса — примерно полмиллионной метра.
«Свет является ключом к некоторым из самых глубоких тайн природы, но очень сложно ограничить его в небольших пространствах», — говорит Антонио Бадолато, профессор физики в Университете Рочестера и автор статьи «Applied Physics Letters». «У света нет массы покоя или заряда, которые позволяют силам воздействовать на него и улавливать его; это должно быть сделано путем тщательной разработки крошечных зеркал, которые отражают свет миллионы раз».Нанополости являются ключевыми компонентами схем нанофотоники, и Бадолато объясняет, что этот новый подход поможет реализовать новое поколение высокоинтегрированных структур нанофотоники.
Исследователи заинтересованы в ограничении света, потому что это облегчает манипулирование и подключение к другим устройствам. Захват света также позволяет исследователям изучать его на фундаментальном уровне, то есть в состоянии, когда свет ведет себя как частица (область, которая привела к Нобелевской премии по физике 2012 года).
До сих пор исследователи использовали процедуры обоснованного предположения для разработки наноструктур, улавливающих свет. Однако в этом случае группа исследователей, в которую вошли ведущий автор и доктор философии Бадолато. студентка Имин Лай и группы из Федеральной политехнической школы Лозанны, Швейцария, и Университета Павии, Италия, усовершенствовали числовую технику, которая привела к усовершенствованию дизайна. Их вычислительный подход позволил им найти оптимальную комбинацию параметров среди тысяч реализаций, используя инструмент «генетического» (или «эволюционного») алгоритма.
Принцип, лежащий в основе генетического подхода, состоит в том, чтобы рассматривать каждую новую нанополость как отдельную особь в популяции. Люди мутируют и «размножаются», что означает, что две отдельные структуры объединяются, чтобы создать новую, которая является помесью двух «родителей». По мере того как новые поколения сменяли друг друга, алгоритм выбирал наиболее подходящие в каждом поколении, в данном случае те, которые показали наибольшее время захвата (то есть самый высокий коэффициент качества).Интегрированная нанофотоника — это новая и быстро развивающаяся область исследований, лежащая на стыке фотоники, нанотехнологий и материаловедения.
В ближайшем будущем схемы нанофотоники позволят использовать прорывные технологии, начиная от телекоммуникаций и заканчивая биодатчиками, и, поскольку они могут обрабатывать световые импульсы чрезвычайно быстро и с очень низким энергопотреблением, они могут заменить традиционные системы обработки информации.Результаты, показанные Бадолато и его коллегами, демонстрируют один из самых высоких показателей качества, когда-либо измеренных в нанополостях, при сохранении очень небольшой площади.
Сохранение нанополостей настолько маленькими, что и при таком эффективном улавливании света, становится возможным создавать устройства со сверхплотной интеграцией — желательная характеристика при изготовлении оптических нано схем.Чрезвычайная чувствительность этих нанополостей к крошечным изменениям в окружающей среде, например к вирусу, прикрепляющемуся к области, в которой задерживается свет, делает эти устройства особенно привлекательными для биосенсоров.
Используя эти высокочувствительные нанополости, такое биосенсорное устройство могло бы обнаруживать мельчайшие количества этих биоматериалов, анализируя одну каплю крови. Группа Бадолато сейчас начинает сотрудничество с исследователями из Медицинского центра Университета Рочестера, чтобы использовать это интересное свойство с помощью новых нанополостей.