Un equipo de físicos de la Universidad ITMO San Petersburgo y el Instituto de Física y Tecnología de Moscú MIPT ha demostrado el potencial de las nanopartículas de silicio para la manipulación efectiva de la luz no lineal. Su trabajo sienta las bases para el desarrollo de nuevos dispositivos ópticoscon una amplia gama de funcionalidades. Estos dispositivos basados en nanopartículas de silicio permitirían transmitir, reflejar o dispersar la luz incidente en una dirección específica, dependiendo de su intensidad. Podrían integrarse en microchips que permitirían el procesamiento ultrarrápido de señales totalmente ópticas en ópticalíneas de comunicación y la próxima generación de computadoras ópticas.
antenas no lineales
Las ondas electromagnéticas de un amplio rango espectral se utilizan para transmitir información: desde ondas de radio que transportan señales de radio por el aire hasta radiación infrarroja y luz visible utilizada en telecomunicaciones para transferir datos a través de fibra óptica. Un componente esencial de cualquier equipo que se base enLas ondas electromagnéticas para la transmisión y el procesamiento de la información es un dispositivo llamado antena, que está diseñado para recibir o transmitir señales en una dirección particular. A menudo, las señales entrantes deben procesarse de manera flexible. Esto requiere el uso de una antena reconfigurable, es decir, una cuyas características p. ej., su patrón de radiación se pueden cambiar de manera específica durante el procesamiento de la señal. Una posible solución se basa en el uso de una antena no lineal, que puede ser conmutada por la propia luz incidente.
Denis Baranov, estudiante de doctorado en MIPT y uno de los autores del estudio, comenta sobre los resultados de la investigación: 'Es una prioridad principal, y al mismo tiempo un desafío importante, desarrollar tales antenas sintonizables que funcionan enfrecuencias infrarrojas y ópticas. Hoy en día, ya podemos transmitir información a través de fibra óptica a velocidades increíbles de hasta cientos de Gbit / s. Sin embargo, la electrónica basada en silicio no puede procesar los datos entrantes a esa velocidad. Nanoantenas no lineales que funcionana longitudes de onda ópticas podría ayudarnos a resolver este problema y hacer posible el procesamiento ultrarrápido de señales totalmente ópticas ''.
nanopartículas de silicio
Para demostrar el cambio no lineal, los autores del artículo, que se publicó en ACS Photonics , he estudiado una nanoantena dieléctrica, una nanopartícula esférica ópticamente resonante hecha de silicio. Si bien las partículas esféricas de todos los tamaños muestran resonancias, es el tamaño de la partícula lo que determina su longitud de onda resonante. La primera de estas resonancias, que puede serobservada en la longitud de onda más larga, es la resonancia dipolar magnética. La luz incidente de cierta longitud de onda induce una corriente eléctrica circular en la partícula, similar a la corriente que fluye en un circuito cerrado. Debido a que el silicio tiene un alto índice de refracción, las partículas con diámetros aproximándose100 nm ya mostrará la resonancia dipolar magnética a frecuencias ópticas, haciéndolas útiles para mejorar varios efectos ópticos a nanoescala. El equipo ha utilizado resonancias de nanoesferas de silicio para mejorar la dispersión Raman en un estudio anterior, que se detalla en otro artículo.
Las propiedades ópticas de una nanoantena de silicio no lineal se manipulan mediante la generación de plasma de electrones. Como el silicio es un semiconductor, casi no hay electrones en su banda de conducción en condiciones normales. Sin embargo, exponiéndolo a un pulso láser de altaintensidad y muy corta duración ≈100 femtosegundos, es decir, aproximadamente 10⁻¹³ o una trillonésima de segundo excita los electrones en la banda de conducción. Esto altera significativamente las propiedades del material, así como el comportamiento de la nanoantena de silicio en sí, haciendo que disperse la luz en la dirección del pulso incidente. Por lo tanto, al exponer una partícula a un pulso corto e intenso, su comportamiento como antena se puede controlar dinámicamente.
Para demostrar la conmutación de nanoantena ultrarrápida, los autores del estudio llevaron a cabo una serie de experimentos, que incluyeron la irradiación de una serie de nanopartículas de silicio con un pulso láser corto e intenso y una medición continua de su transmitancia. Los investigadores observaronque el coeficiente de transmisión de una estructura cambió en varios por ciento en 100 femtosegundos y luego volvió gradualmente a su valor inicial.
Sobre la base de los resultados experimentales, los investigadores desarrollaron un modelo analítico que describe la dinámica no lineal ultrarrápida de la nanoantenna examinada en el estudio, así como la generación y relajación de plasma de electrones en silicio.En el modelo, se produce un cambio radical en el diagrama de dispersión de la antena en un período de tiempo muy corto, del orden de 100 femtosegundos. Antes de la llegada del pulso, la cantidad de energía dispersada por la partícula en la dirección de avance es casiigual que en la dirección hacia atrás. Sin embargo, impulsada por un pulso corto, la antena cambia a una dispersión hacia adelante casi perfectamente unidireccional. Las predicciones teóricas respaldadas por los datos experimentales sugieren que una antena de este tipo tendría un ancho de banda de aproximadamente 250 Gbit / s, mientras que la electrónica convencional basada en silicio depende de componentes con anchos de banda limitados a solo decenas de Gbit / s.
Observaciones finales: hay más por venir
Los experimentos realizados por los autores del estudio han demostrado que la nanoantena ultrarrápida cambia entre diferentes modos de dispersión de luz, que es causada por la interacción de un pulso láser intenso con el silicio de la nanoestructura. Los investigadores han desarrollado una teoría analítica que describe el comportamientode tales nanoantenas no lineales.
'La investigación muestra que las nanopartículas de silicio podrían convertirse en la base para desarrollar nanodispositivos ópticos ultrarrápidos. Nuestro modelo puede usarse para diseñar nanoestructuras que contengan partículas de silicio que sean más complejas, lo que nos permitiría manipular la luz de la manera más inusual.Por ejemplo, esperamos controlar eventualmente no solo la amplitud de una señal óptica sino también su dirección. Esperamos poder "girarla" en un ángulo específico en una escala de tiempo ultrarrápida ", dice Sergey Makarov, investigador principal del Departamento.Presidente de Nanofotónica y Metamateriales de la Universidad ITMO.
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Materiales proporcionado por Instituto de Física y Tecnología de Moscú . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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