Лекции по дисциплине

Физические основы нанотехнологий фотоники и оптоинформатики

Введение

Фотоника

Задачи фотоники

Нанофотоника

Цели и материалы/устройства нанофотоники.

Направления нанофотоники

Основная задача фотоники

Оптоинформатика

Основные источники излучения в оптоинформатике:

Оптическая запись, хранение и считывание информации

Оптический компьютер:

Фотонные кристаллы и плазмоника

Введение

Фотоника - область науки и техники, связанная с использованием светового излучения (потоков фотонов) в оптических элементах, устройствах и системах, в которых генерируются, усиливаются, модулируются, распространяются и детектируются оптические сигналы.

Анг. Фотоника –технология, которая включает излучение света, его передачу, отклонение, усиление и детектирование при помощи оптических компонент и устройств, лазеров и других источников, оптического волокна, электрооптических метрологических устройств и других сложных нанофотонных систем.

Задачи фотоники:

-Миниатюризация оптических элементов,устройств и систем.

-Интеграция оптических элементов, устройств и систем на единой базе (чипе.)

-Сверхбыстродействие оптических систем (в полностью оптических устройствах управление сигналом может осуществляться за 1 фемтосекунду ).

-Сверхскоростная передача больших массивов информации .

-Низкий уровень управляющихсигналов (современное переключение энергия управляющего сигнала .

-Полифункциональность оптических материалов.

Нанофотоника

Нанофотоника- нанооптика (англ. nanophotonics) — раздел фотоники, занимающийся изучением физических явлений, возникающих при взаимодействии фотонов с объектами нанометровых размеров, и практическим применением указанных явлений.

Нанофотоника - область фотоники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства наноструктурированных устройств генерации, усиления, модуляции, передачи и детектирования электромагнитного излучения и приборов на основе таких устройств, а также с изучением физических явлений, определяющих функционирование наноструктурированных устройств и протекающих при взаимодействии фотонов с наноразмерными объектами.

Цели и материалы/устройства нанофотоники.

Цель нанофотоники - разработка материалов, имеющих нанометровые размеры (1-100 нм.) с новейшими оптическими свойствами и создание на их основе фотонных устройств. В настоящее время нанофотоника рассматривается как альтернатива современной электроники. Использование фотонов при передаче и обработки информации позволит добиться существенных преимуществ, благодаря высокому быстродействию и устойчивости фотонных каналов связи к помехам. К нанофотонным устройствам относятся устройства, использующие структуры размерами 100 нм и менее. Такие устройства решают проблемы миниатюризации многих оптических систем. Нанофотонные устройства не только значительно превосходят электронные аналоги, но и позволяют успешно решать проблемы, связанные с тепловыделением и электропитанием. Слабым местом и источником постоянного беспокойства при использовании приборов на основе нанофотоники остается обеспечение надежности электрооптических переключателей, позволяющие преобразовывать электрические сигналы в оптические и наоборот.

Изделия кремниевой нанофотоники исключительно малы, поэтому многие из них легко вводятся в электронные чипы. В настоящее время многие оптические наноустройства можно изготавливать на основе стандартных материалов полупроводниковой электроники, так что нанофотоника развивается главным образом за счет сочетания электронных и фотонных компонентов, позволяющего использовать все преимущества и того и другого. Возможность использования в нанофотоники кристаллических пластин из кремния на изоляторе имеет огромное значение, если вспомнить о технологии кремниевой электроники. Созданные на основе таких материалов фотонные наноустройства могут быть легко интегрированы в существующие системы на кристаллах и быстром их внедрении в производство.

Направления нанофотоники

К направлениям нанофотоники можно отнести:

-Исследования физических основ генерации и поглощения излучения в оптическом спектре в гетероструктурах с квантовыми слоями, нитями и точками.

-Разработку полупроводниковых и сверхпроводниковых источников и детекторов электромагнитного излучения.

-Разработку светодиодов на основе полупроводниковых гетероструктур и на органической основе.

-Разработку твердотельных и органических лазеров.

-Разработку элементов солнечной энергетики.

-Разработку наноструктурированных оптических волокон и устройств на их основе.

-Разработку элементов фотоники и коротковолновой нелинейной оптики.

К перспективным направлениям миниатюризации фотонных устройств и их интеграции в сложные системы относится использование фотонных кристаллов.

Изготовление и исследование свойств наноразмерных оптических резонаторов сейчас является одним из самых интересных направлений развития нанофотоники, представляющих большую практическую и научную ценность.

Предметом изучения нанофотоникиявляется распространение, преобразование, испускание и поглощение оптического излучения и сигналов в наноструктурах, с целью использования особенностей процессов взаимодействия излучения с веществом при таких масштабах для создания различных функциональных устройств. Нанофотоника возникла на стыке оптики, лазерной физики, квантовой электроники, физики и химии твердого тела, материаловедения, физической химии.

Основная задача нанофотоники— разработка наноматериалов с улучшенными или принципиально новыми оптическими, электрооптическими и оптоэлектронными свойствами для создания на их основе фотонных функциональных устройств нового поколения. К таким устройствам относятся в частности следующие:

-эффективные источники когерентного и некогорентного излучения с управляемыми характеристиками;

-устройства отображения информации, включая дисплеи портативных приборов и большие цветные экраны;

-приемники излучения и детекторы нового поколения;

-оптоэлектронные (фотоэлектронные) преобразователи, в том числе компактные фотоэлектрические источники питания и солнечные батареи повышенной эффективности;

-фотонная (оптическая) оперативная и долговременная память;

-устройства оптической обработки сигналов, в том числе оптические регенераторы;

-оптические переключатели и коммутаторы, в том числе для оптической коммутации пакетов;

-оптические соединения между элементами электронных вычислительных машин (между блоками, платами, чипами и элементами чипов);

-оптические вычислительные устройства, в том числе квантовые;

-интегрированные сенсорно-диагностические системы для контроля окружающей среды и состояния человека;

К новым перспективным материалам нанофотоникиотносятся следующие:

-полупроводниковые квантово-размерные материалы, в том числе материалы с квантовыми ямами, квантовыми нитями и квантовыми точками;

-фотонные кристалы, фотонно-кристаллические пленки и волокна;

метаматериалы с отрицательным показателем преломления и металл-диэлектрические плазмонные наноматериалы.

Важными средствами исследования материалов в нанофотонике являются ближнепольная сканирующая оптическая микроскопия, сканирующая туннельная микроскопия с применением возбуждающих фотонов (PASTM, photon-assisted scanning tunnel microscopy) и плазмонная оптика поверхности [2].

Нанотехнологии, которые наиболее широко применяются в фотонике и оптоинформатике:

Формирование периодических наноструктур в диэлектрических и полупроводниковых средах с различной размерностью путем воздействия на них потоками атомов, фотонов, ускоренных заряженных частиц.

В основном используются-

Методы молекулярно-пучковой эпитаксии.

Электронно-лучевой литографии

Изготовление элементов фотонных схем лазеров, волноводов, СВЧ-оптических фильтров.

Источники

Möschwitzer J., Müller R.H. Drug Nanocrystals – The Universal Formulation Approach for Poorly Soluble Drugs // Nanoparticulate Drug Delivery Systems. Drugs And The Pharmaceutical Sciences, v. 166 / Ed. by D. Thassu, M. Deleers, Y. Pathak. — Informa Healthcare, 2007. P. 71-88.

Nanophotonics // Wikipedia, the free Encyclopedia. — http://en.wikipedia.org/wiki/Nanophotonics (дата обращения: 27.06.2010).

МЕТАМАТЕРИАЛЫ

метаматериал (англ. metamaterial)— искусственный композитный структурированный материал, электромагнитные свойства которого существенно отличаются от свойств компонентов, входящих в его состав, и определяются особым упорядочением и структурой компонентов (кольцеподобной, рулонной, проводной и т. д.).

Метаматериалы выделены в отдельный класс материалов, так как их свойства зависят от структуры компонентов, упорядоченных особым образом, и могут кардинально отличаться от свойств составляющих их компонентов. К метаматериалам такого типа относятся, например, синтетические дихроичные материалы, состоящие из изотропных компонентов: именно асимметричная структура композитного материала, приводит к появлению анизотропии формы. Существуют метаматериалы с многократно увеличенными электрической проницаемостью и магнитной восприимчивостью, метаматериалы, эффективность нелинейных эффектов в которых увеличивается на много порядков по сравнению с обычными веществами. Например, эффективность гигантского комбинационного рассеяния может возрастать в раз по сравнению с вынужденным комбинационным рассеянием в компонентах, на порядки увеличивается эффективность генерации второй и третьей гармоник.

Хотя возможность управления структурой компонентов материала дает новую степень свободы в конструировании их свойств, однако настоящую революцию произвели работы, продемонстрировавшие возможность создания метаматериалов со свойствами, которые не встречаются в природных материалах. Термин «метаматериалы» особенно часто применяют по отношению именно к таким материалам.

Один из наиболее известных классов метаматериалов — метаматериалы с отрицательным коэффициентом преломления, у которых одновременно отрицательны диэлектрическая и магнитная проницаемость. Существование веществ с одновременно отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостями было теоретически обоснована в работе В. Г. Веселаго, вышедшей еще в 1967 г. [1]. Как показал автор, такие вещества характеризуются отрицательными значениями показателя преломления, а многие оптические свойства существенно отличаются от свойств традиционных материалов. Природных материалов с такими свойствами пока не обнаружено. Экспериментально вещества с отрицательным показателем преломления в радиодиапазоне электромагнитных волн были созданы в 1999 г. [2]. В настоящее время широким фронтом ведутся работы по созданию и исследованию метаматериалов с отрицательным показателем преломления в оптическом диапазоне. Все созданные искусственно материалы с одновременно отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостями в оптическом диапазоне являются композитами, содержащими металлические и диэлектрические компоненты.

Весьма перспективным классом метаматериалов являются фотонные кристаллы, в частности резонансные фотонные кристаллы [3].

Литература

Веселаго В. Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ε и μ // УФН. 1967. Т. 92. С. 517.

Pendry J. B., Schurig D., Smith D. R. // Science. 2006. V. 312. P. 1780.

Манцызов Б.И. Когерентная и нелинейная оптика фотонных кристаллов. — М.: Физматлит, 2009. — 206 с.

Вопросы по нанофотонике.

1.Основныепонятия: электромагнитная волна уравнение волны волновойвектор фазовая и групповая скорость. Уравнения Максвелла Уравнение волны в комплексной форме УравненияМаксвелла в комплексной форме. Классификация волн.

2. Волновая функция и уравнение Шредингера. Уравнение Шредингера. Волновая функция , ее физический смысл. Частица в бесконечно глубокой потенциальной яме (решение уравнения Шредингера ). Разрешенные уровни энергии для частицы в бесконечно глубокой потенциальной яме. Квантовый конфайнмент.

3. Размерное квантование и квантово–размерные структуры. Уравнение Шредингера. Энергетический спектр кантово-размерных структур. Квантовые ямы. Квантовые нити.

Квантовые точки. Квантовый конфайнмент. Плотность состояний.

4. Фотонные кристаллы. Одномерные фотонные кристаллы . Методы матрицы преобразования для слоисто-периодических структур. Получение дисперсионного

Уравнения для одномерного фотонного кристалла.

5. Тензор диэлектрической проницаемости. Тензор магнитной проницаемости. Дисперсионное уравнение для полупроводникового одномерного фотонного кристалла.

6. Расчет зонной структуры одномерного фотонного кристалла (по Sakoda).

7. Плазмоны. Плазма. Волны в плазме. Плазменная частота.

8. Теория металлов Друде.

9. Эффективная диэлектрическая проницаемость. Частотная дисперсия материальных

параметров. Соотношения Крамерса-Кронига.

10. Теория эффективной среды. Композитная среда со сферическими включениями. Композитная среда с эллипсоидальными включениями. Формализм Максвелла Гарнета.

Формула Бруггемана.

11.Плазмоны. Плазмон– поляритоны. Поверхностныеплазмоны. Дисперсионные кривые.

Возбуждение поверхностных плазмонов. Плазмоный резонанс в сферических частицах .

12.Метаматериалы.

13. Построение дисперсионных кривых для одномерного фотонного кристалла

14. Расчет эффективной диэлектрической проницаемости композитной среды (включения

сферическойформы)

15.Графическое нахождение запрещенных и разрешенных зон при помощи функции F

16. Построение band-gap диаграммы для одномерного фотонного кристалла.

Оптоинформатика

Оптоинформатика – выделившаяся область фотоники, в которой создаются оптические технологии передачи, приема, обработки и хранения информатики.

Основные источники излучения в оптоинформатике:

Полупроводниковые лазеры,

Лазеры на гетероструктурах,

Лазеры и усилители на основе квантоворазмерных эффектов (на квантовых точках)

Вертикально излучающие полупроводниковые лазерыВолоконные лазеры и усилители

Планарные лазеры и усилители

Элементная база оптических линий связи.

Оптическая запись, хранение и считывание информации:

Оптические дисковые системы записи и хранения информации,

Магнитооптические технологии

Голографические технологии

Регистрирующие среды и механизмы записи.

Пространственно-временные модуляторы на электрооптическом, магнитооптическом и акустоэлектрическом эффектах.

Оптический компьютер:

Фотонные кристаллы и плазмоника.

Плазмонные нановолноводы в качестве межсхемных соединений в системах на кристалле.

Технология создания и перспективы применения.

Квантовая нанотехнология.

Физические основы квантового компьютера

Нанотехнологии, которые широко применяются в фотонике и оптоинформатике:

Формирование периодических наноструктур в диэлектрических и полупроводниковых средах с различной размерностью путем воздействия на них потоками атомов, фотонов, ускоренных заряженных частиц.

В основном используются-

Методы молекулярно-пучковой эпитаксии.

Электронно-лучевой литографии

Изготовление элементов фотонных схем лазеров, волноводов, СВЧ-оптических фильтров.

Лекция № 7

Технология наноплазмоники

Наноплазмоника

Плазма твердых тел

Плазмоны

Плазмонный резонанс

Нанолазер на поверхностных плазмонах (спейзер)

Устройства наноплазмоники

Плазмонный графеновый чип

Применения устройств наноплазмоники

Наноплазмоника

От нанофотоники, раздела нанооптики, где исследуются наноразмерные поля со считаным количеством фотонов и поведение света на нанометровой шкале, на рубеже веков отпочковалось очередное технологическое поднаправление — наноплазмоника.

наноплазмоника— составная часть нанофотоники, занимающаяся исследованием оптических свойств и явлений, возникающих при колебаниях электронов проводимости в металлических наноструктурах и наночастицах, и взаимодействием этих колебаний со светом, атомами и молекулами.

Наноплазмоника изучает явления, связанные с колебаниями электронов проводимости в металлических наноструктурах и наночастицах и взаимодействие этих колебаний со светом, атомами и молекулами, с целью создания сложных оптических наноустройств.

Плазмонные колебания в наночастицах существенно отличаются от поверхностных плазмонов, и называются локализованными плазмонами.

Важнейшея особенность явлений в наноплазмонике — сочетание сильной пространственной локализации электронных колебаний с высокой частотой этих колебаний (от ультрафиолетового диапазона до инфракрасного). Сильная локализация приводит к гигантскому увеличению локальных оптических и электрических полей. Свойства локализованных плазмонов критически зависят от формы наночастиц, что позволяет настраивать систему их резонансов на эффективное взаимодействие со светом или элементарными квантовыми системами (молекулами, квантовыми точками).

Эти свойства плазмонных наночастиц позволи обнаружить ряд новых эффектов.

-Гигантские локальные поля вблизи наночастиц приводят к увеличению сечения комбинационного рассеяния на 10-14 порядков, что позволяет обнаруживать отдельные молекулы.

-Наличие локальных полей дает возможность определять структуру ДНК без без прикрепления к ней маркеров.

-Используя сложную структуру спектров плазмонных частицможно одновременно усиливать ипоглощение и испускание света наночастицами и создавать эффективные флюорофоры и наноразмерные источники света.

–Плазмонные наночастицы можно использовать для стимулированного усиления плазмонных колебаний в наночастицах оптическим излучением.

-Благодаря очень малым размерам металлических наноструктур и оптическому быстродействию происходящих в них процессов наноплазмоника позволит создать новую элементную базу для оптических компьютеров и устройств обработки данных.

Для реализации этой идеи сначала должны появиться плазмонные устройства, аналогичные традиционным транзисторам (приборам для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний), из которых можно будет собирать сверхбыстрые сигнальные процессоры.

До настоящего времени дальнейшее активное развитие наноплазмоники серьезно сдерживалось отсутствием работающих устройств, способных эффективно генерировать когерентные плазмонные поля. Иными словами, на протяжении многих лет одной из ключевых практических задач, стоящих перед разработчиками новых наноплазмонных структур, считалось создание плазмонного аналога лазера.

Плазма твердых телсостоит из ионов, атомов, совершающих малые колебания относительно положений равновесия, и подвижных носителей заряда- электронов совершающих движение в самосогласованном поле. Плазма типичных металлов –сильно вырожденная электронная ферми-жидкость. Электроны движется в условиях сильного взаимодействия с ионами кристаллической решетки, формирующего их энергетический спектр, и столкновениях с примесями и дефектами кристаллической решетки. Концентрация носителей заряда велика в металлах. Плазма в среднем электрически нейтральна. Засчет флуктуаций в ней возникают плазменные колебания.

Плазмоны

Для их описания вводят квазичастицу- квант плазменных колебаний называемую плазмономс энергиейи импульсом, где-волновой вектор. Плазмоны в металлах самые высокоэнергетические возбуждения.Плазмоны(волны электронной плотности) возникают в твердых телах (объемные плазмоны) или вблизи их поверхности в результате коллективных колебаний электронов проводимости относительно ионов.

У границы проводник—вакуум возникает поверхностный плазмон–возбуждение, затухающее в глубь среды, частота которого враз меньше частоты объемного плазмона. Дисперсия этих плазмонов определяется зависимостью частоты от двумерного волнового вектора, лежащего в плоскости поверхности. Поверхностный плазмон содержит продольную составляющую электрического поля лежащую на поверхности и поперечную составляющую электрического поля , нормальную к поверхности.Поверхностные плазмоны— это кванты колебаний плотности свободных электронов металла, распространяющиеся только вдоль его границы с диэлектриком или вакуумом.

Плазмонный резонанс

Плазмонный резонанс англ. plasmon resonance) — возбуждение поверхностного плазмона на его резонансной частоте внешней электромагнитной волной (в случае наноразмерных металлических структур называется локализованным плазмонным резонансом).

Технический прием, позволяющий использовать поверхностные плазмоны в оптике, основан на использовании полного внутреннего отражения. При полном внутреннем отражении, вдоль отражающей свет поверхности, распространяется электромагнитная волна, скорость которой зависит от угла падения. Если при определенном угле падения скорость этой волны совпадет со скоростью поверхностного плазмона на поверхности металла, то условия полного внутреннего отражения нарушатся, и отражение перестанет быть полным, возникнет поверхностный плазмонный резонанс[1].

Текст и рис ниже из лекции Серебрякова

Экспериментальное наблюдение плазмонов с помощью оптического микроскопа на поверхности образца из золота.

На рисунке 7 показан «портрет» резонансно усиленных плазменных колебаний на поверхности макроскопического образца золота. Образец освещался белым светом с помощью лампы подсветки оптического микроскопа. Различные градации зеленого и красного цветов соответствуют излучающим резонансам различных по размерам дефектов поверхности, работающих в режиме резонансных рассеивателей.

Рис.7а. Плазмонный резонанс на статистически неровной поверхности. 7

Рис.7а. Плазмонный резонанс на статистически неровной поверхности. 7

Рис.7б. Плазмонный резонанс на статистически неровной поверхности.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Каплун В.А., Браммер Ю.А., Лохова С.П., Шостак И.В. Радиотехнические устройства и элементы радиосистем. Учебное пособие. М.: Высшая школа, 2002.- 294 с.

[2] Asakawa K. et al. “Photonic crystal and quantum dot technologies for all-optical switch and logic device,” New Journal of Physics, V.8, N.208 (2006), P. 1-26.

[3] Serebrennikov A.M. “Multipolar resonant particle modes as elementary excitations in chain waveguides: Theory, dispersion relations and mathematical modeling,” Optics Communications, V. 284, N. 21 (2011), P. 5043-5054.

В наноразмерных металлических системах происходит модификация коллективных электронных возбуждений. Коллективное электронное возбуждение металлических наночастиц, размер которых меньше длины волны электромагнитного излучения в окружающей среде — локализованный поверхностный плазмон, — колеблется на частоте, меньшей частоты объемного плазмона враз, тогда как частота поверхностного плазмона примерно враз меньше, чем частота объемного плазмона. При совпадении частоты внешнего поля с частотой локализованного поверхностного плазмона возникает резонанс, приводящий к резкому усилению поля на поверхности частицы и увеличению сечения поглощения[1].

Свойства локализованных плазмонов критически зависят от формы наночастиц, что позволяет настраивать систему их резонансов на эффективное взаимодействие со светом или элементарными квантовыми системами[1].

В настоящее время явление поверхностного плазмонного резонанса широко применяется при создании химических и биологических сенсоров (биосенсоров). При контакте с биообъектами (ДНК, вирусы, антитела) плазмонные эффекты позволяют более чем на порядок увеличить интенсивность сигналов флуоресценции, то есть значительно расширяют возможности обнаружения, идентификации и диагностики биологических объектов[1].

Нанолазер на поверхностных плазмонах (спейзер)

Разработчики одного из самых перспективных направлений современных нанотехнологических исследований, нанофотоники, создали важнейшее устройство, которое может стать основным компонентом будущих оптических компьютеров.

Интернациональная команда физиков-экспериментаторов из трех американских университетов, Пардью, Норфолка и Корнелла, впервые продемонстрировала рабочий прототип нанолазера — самого маленького в истории генератора светового излучения, диаметр рабочей поверхности которого всего 44 нм. Это уникальное устройство называют также спазером или спейзером(от английской аббревиатуры SPASER — Surface Plasmon Amplification by Simulated Emission of Radiation), «усиление стимулированного излучения поверхностными плазмонами». Оно создает специфическую форму излучения — мощный поток света, стимулированный так называемыми поверхностными плазмонами (surface plasmons).

Краткий отчет о полученных исследователями результатах был представлен в онлайн-выпуске журнала Nature от 16 августа2013г. Среди ведущих авторов отчета, координировавших проект, два выходца из России — профессор Университета Пардью (штат Индиана) Владимир Шалаев и профессор Норфолкского университета (штат Виржиния) Михаил Ногинов. Владимир Шалаев - выпускник Красноярского государственного университета, в 1983 году защитил там же кандидатскую диссертацию и затем до 1990 года работал в красноярском Институте физики им. Л. В. Киренского. Михаил Ногинов окончил в 1985 году Московский физико-технологический институт (МФТИ) и стал кандидатом физматнаук в Институте общей физики им. А. М. Прохорова (ИОФ РАН).

Активное участие в проекте принимал еще один выпускник МФТИ (кандидатская диссертация 1995 года), Евгений Нариманов, тоже перебравшийся в Университет Пардью, а в костяк исследовательской команды Владимира Шалаева в этом университете входят Владимир Драчев и Александр Кильдишев.

В разнообразных физических экспериментах, проводимых с начала 80-х годов прошлого века, поверхностные плазмоны возбуждали при помощи направленного к поверхности металла лазерного луча. Ученые установили, что при определенных условиях (точно подобранном угле лазера, варьировании толщины, химического состава соприкасающихся поверхностей и проч.) плазмонные волны могут колебаться с той же частотой, что и внешние электромагнитные.

При этом у обычных световых волн эффективная длина ограничена дифракционным пределом, то есть при использовании обычных материалов с положительным коэффициентом преломления наилучшее разрешение, которое возможно получить при их помощи, соответствует примерно половине длины набегающей волны света, используемой для создания изображения.

Плазмонные же волны распространяются на дистанции значительно короче, а значит, обладают длиной волны, намного меньше «магического предела».

Благодаря этому свойству поверхностных плазмонов у теоретиков возникла идея их дальнейшего практического использования: Создание совершенно нового класса миниатюрных электронных устройств, базирующихся на эффективном управлении физическими свойствами плазмонных волн, проявляемыми на наноуровне.

Теоретические основы такого устройства были впервые подробно изложены в 2003 году Марком Стокманом из Университета штата Джорджия (США) и израильтянином Давидом Бергманом (Тель-Авивский университет). упоминавшуюся аббревиатуру SPASER, которая расшифровывается как «усиление стимулированного излучения поверхностными плазмонами».

Устройство спейзера

Разработанный группой Ногинова, Шалаева первый действующий прототип спейзера внешне представляет собой одиночную золотую наночастицу сферической формы, заключенную в кварцевую оболочку, поверхность которой была покрыта зеленым органическим красителем. Подобно обычному лазеру, для достижения необходимой энергии спейзеру требовалась специальная накачка внешним источником электромагнитного излучения наночастицы лазерными пучками. Облученная лазером наночастица возбуждала молекулы оболочечного красителя, и они, в свою очередь, передавали полученную энергию окружающим электронам, которые и создавали в итоге поверхностные плазмонные колебания. Возникшие благодаря плазмонным колебаниям расходящиеся электромагнитные волны обладали характерной для зеленого света длиной 531 нм. Эти расходящиеся волны излучали свет по всем направлениям, тогда как «нормальный» лазер должен производить узконаправленный луч света.

По словам Владимира Шалаева, зарегистрированные учеными характерные пики и подошвы световых волн свидетельствовали, что плазмонные колебания происходили синхронно, то есть они все-таки обладали важнейшим свойством лазерного излучения — когерентностью.

Михаил Ногинов полагает, что способность спейзера генерировать когерентные поверхностные плазмоны может оказаться в практическом плане даже более важной, чем его дальнейшее использование в качестве обычного нанолазера, поскольку открывает дорогу для разработки нового поколения сверхбыстрой наноэлектроники.

Стокман: «Спейзер — это самый маленький из возможных квантовый усилитель и генератор оптических полей на наноуровне, в теории его размеры можно уменьшить почти до одного нанометра. И благодаря тому, что он работает почти в тысячу раз быстрее, чем самый быстрый из имеющихся на сегодня транзисторов, на его основе вскоре могут быть сконструированы сверхбыстрые усилители, логические элементы и микропроцессоры, на несколько порядков превосходящие по своей производительности традиционные кремниевые аналоги».

Для реального применения в оптических компьтерах будущего, потребуется найти эффективные механизмы его «электрического сопряжения» с полупроводниками без использования внешней лазерной накачки. По крайне оптимистическим оценкам Марка Стокмана, первые гибридные устройства такого рода могут появиться уже в течение ближайшего года, но другие специалисты в данной области пока проявляют большую сдержанность.

Так, по мнению профессора Калифорнийского университета Риверсайда Сахрата Хизроева, несмотря на огромную значимость проделанной Шалаевым, Ногиновым и их коллегами работы, спейзеры, по всей видимости, найдут свое первое практическое применение не в качестве базовых элементов оптических компьютеров, а в производстве различных устройств магнитного накопления и хранения данных. «Магнитные носители, использующиеся сегодня для жестких дисков, фактически уже достигли физических пределов своих возможностей, и одним из наиболее перспективных способов увеличения их эффективности как раз и может стать применение нанолазеров для сверхточечного нагревания этих носителей в процессе записи информации».

Литература

Климов В.В. Наноплазмоника. УФН т178, №8, с.875-880. (2008)

Применения устройств наноплазмоники