Ученые с кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО разработали концептуально новую платформу для эффективного управления светом на наноуровне и оптической записи информации на основе гибридных металло-диэлектрических наноантенн. Новая технология позволит ускорить изготовление наночипов для оптических компьютеров нового поколения, а также сделает возможным создание широкого класса оптических наноустройств, локализующих, усиливающих и управляющих светом в наномасштабе. Результаты исследования опубликованы в журнале AdvancedMaterials.

Создание гибридных наноантенн с помощью пр...

Создание гибридных наноантенн с помощью прицельного плавления золотых частиц

Наноантенна — устройство, превращающее свободно распространяющийся свет в сильно локализованный (сжатый в несколько десятков нанометров). Локализация позволяет эффективно управлять светом на наноуровне, поэтому в будущем наноантенны смогут стать базовыми элементами оптических компьютеров нового поколения, использующих фотоны вместо электронов для обработки и передачи информации. Эта неизбежная замена носителя информации связана с тем, что световой сигнал на несколько порядков превосходит электрический по информационной емкости, требует меньших энергетических затрат, исключает нагрев микросхем и обеспечивает высокую скорость обмена данными.

До сих пор изготовление планарных массивов перестраиваемых гибридных наноантенн для манипулирования светом считалось весьма трудоемким процессом. Для решения этой проблемы исследователи из Университета ИТМО совместно с коллегами из Санкт-Петербургского академического университета и Объединенного института высоких температур в Москве впервые разработали методику создания массивов гибридных наноантенн и высокоточной настройки отдельных наноантенн в составе массива. Достичь этого удалось путем последовательного проведения двух этапов: литографии и избирательного воздействия на «полуфабрикат» фемтосекундным лазером — лазером сверхкоротких импульсов.

Микрофотография процесса изменения формы золоты...

Микрофотография процесса изменения формы золотых частиц (справа)

В ходе исследования выяснилось, что гибридные наноантенны крайне перспективны с точки зрения оптической записи информации со сверхвысокой плотностью. Современные оптические диски позволяют записывать информацию с плотностью около 10 Гбит/дюйм², что равно размерам одного пикселя в несколько сот нанометров. Несмотря на то, что такие габариты сопоставимы с разработанными гибридныминаночастицами, ученые дополнительно предлагают контролировать их цвет во всем видимом диапазоне. Эта манипуляция приводит к добавлению еще одной «размерности» для записи информации, что существенно увеличивает емкость носителя информации.

Помимо сверхплотной записи информации, метод избирательной модификации гибридных наноантенн поможет создавать новые дизайны гибридных метаповерхностей, волноводов, а также компактных сенсоров для экологического мониторинга окружающей среды. В связи с этим в ближайшей перспективе исследователи планируют заострить внимание на разработке конкретных применений перестраиваемых гибридных наноантенн.

Полученные наноантенны состоят из двух компонентов: усеченного кремниевого конуса и расположенного на нем золотого диска. Ученые показали, что при помощи наномасштабного лазерного плавления можно с высокой точностью изменять форму золотой частицы, не затрагивая кремниевую. Причем при изменении формы только золотой частицы также изменяются оптические свойства наноантенны в целом, так как достигается различная степень наложения резонансов кремниевой и золотой наночастиц в составе наноантенны.

«Наша технология позволяет плавно перестраивать оптические свойства наноантенн путем избирательного лазерного плавления золотых частиц, поскольку от интенсивности воздействия лазера зависит, останется ли золотая частица диском, превратится в 'чашечку’ или примет форму шара. Данная методика позволяет за доли секунды получить гибридную функциональную наноструктуру с заданными свойствами», — рассказывает Сергей Макаров, один из авторов работы, заместитель заведующего Отделением диэлектрической нанофотоники кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО.

Варианты форм гибридных наноантенн

Варианты форм гибридных наноантенн

Так, преимущество нового метода перед обычным нагревом выражается в возможности проводить настройку отдельных наноантенн в составе массива и с высокой точностью управлять оптическими свойствами гибридных наноструктур.

«В предложенной нами концепции асимметричной гибридной наноантенны мы объединили два, как считалось прежде, альтернативных друг другу направления: плазмонику и диэлектрическую нанофотонику. Наши гибридные наноструктуры унаследовали их преимущества — локализацию и усиление света в наномасштабе, низкие оптические потери, а также возможность управления диаграммой направленности. В свою очередь, применение лазерного плавления позволяет точно и быстро менять оптические свойства таких структур и в перспективе записывать информацию с крайне высокой плотностью», — заключает Дмитрий Зуев, ведущий автор работы, научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО.

Статья:

Dmitry A. Zuev, Sergey V. Makarov, Pavel A. Belov, et al., «Fabrication of Hybrid Nanostructures via Nanoscale Laser-Induced Reshaping for Advanced Light Manipulation.»

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201505346/abstract

Пресс-служба Университета ИТМО