Суперлинза сжала свет до наномасштаба

Российские и датские ученые впервые наблюдали в эксперименте плазмонную нанострую. Это явление позволяет сфокусировать свет на наномасштабе и в теории — обойти одно из фундаментальных ограничений обычной собирающей линзы. Подобное уплотнение световых волн необходимо, чтобы использовать их в качестве переносчика сигналов в компактных устройствах, которые будут работать быстрее электроники. Статья об итогах работы опубликована в журнале Optics Letters, кратко о них сообщается в пресс-релизе Московского физико-технического института.

До изобретения лазерной указки герои любовных романов сообщали о своем присутствии, бросая камешек в окно. Один из недостатков камня как носителя сигнала — его масса, из-за которой отправка сообщения требует усилий и времени. Масса электрона мала, но тоже не равна нулю, поэтому и его нельзя мгновенно привести в движение. Если бы вместо электронов микросхемы оперировали фотонами — частицами света, техника работала бы намного быстрее.

Сегодня не представляется возможным заменить электронный микрочип фотонным аналогом, потому что такое устройство будет иметь огромные размеры. Миниатюризация потребует управления фотонами на столь маленьких масштабах, что световую волну придется локализовать в минимальном объеме. В идеале нужно собрать свет в пятно размером менее 50 % длины волны, что невозможно сделать обычной линзой, — это фундаментальное ограничение называется дифракционным пределом.

Ученые из России и Дании сконструировали фокусирующий элемент, который способен превратить свет в особый вид электромагнитных волн со сжатием до 60 % длины исходного излучения и потенциалом преодолеть дифракционный предел. Изготовленная коллективом металинза представляет собой квадратный кусок диэлектрика размером 5 на 5 микрометров и толщиной 0,25 микрометра. Эта частица помещена на золотую пленку толщиной 0,1 микрометра, на обратной стороне которой нанесена рельефная решетка.

Лазерный импульс, падающий на золотую пленку, преобразуется в поверхностные плазмоны-поляритоны — особые электромагнитные колебания, которые распространяются в плоскости металлической пленки и, проходя под квадратной диэлектрической частицей, фокусируются до 60 % исходной длины волны. Чем сильнее фокусировка, тем миниатюрнее может быть техника. Дизайнер: Дарья Сокол, пресс-служба МФТИ

При облучении такой системы лазером в плоскости раздела между золотом и диэлектриком возникает возмущение в виде так называемого поверхностного плазмона-поляритона. Оно представляет собой коллективное колебание электронов в металле (плазмон), согласованное с распространением по поверхности световой волны (поляритона). Ценность этого превращения в том, что поверхностные плазмоны-поляритоны поддаются субволновой фокусировке, то есть их можно локализовать сильнее, чем породивший их лазерный импульс.

«Один из механизмов субволновой фокусировки основан на явлении плазмонной наноструи, которое нам удалось впервые экспериментально зафиксировать», — рассказывает инициатор работы, профессор Томского политехнического университета Игорь Минин.

Замдиректора Института сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники РАН и ведущий научный сотрудник лаборатории двумерных материалов и наноустройств МФТИ Дмитрий Пономарёв поясняет принцип уплотнения волн в суперлинзе: «Мы использовали компьютерное моделирование, чтобы подобрать подходящие размеры диэлектрической частицы и характеристики дифракционной решетки на золоте. В результате поверхностная плазмонная волна имеет разную фазовую скорость на краях и в центре диэлектрика, из-за чего фронт волны изгибается и формируется плазмонная наноструя — область высокой плотности плазмонов-поляритонов».

Один из авторов исследования, директор Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Валентин Волков, за ближнепольным микроскопом. Подобный инструмент использовался исследователями, чтобы впервые наблюдать плазмонную нанострую. Источник: Евгений Пелевин, пресс-служба МФТИ

Таким образом можно сильно локализовать излучение и манипулировать «сжатым светом» на наномасштабе, а это необходимое условие для интеграции на чипе фотонных и плазмонных устройств, которые будут работать значительно быстрее своих электронных аналогов.

Директор Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Валентин Волков добавил: «Экспериментальное наблюдение плазмонных струй стало возможным благодаря объединению усилий ученых нашего центра и коллег из Москвы, Томска и Копенгагена. Наше сотрудничество будет продолжено — в ближайшем будущем мы продемонстрируем другие интересные эффекты, связанные с образованием, распространением и применением плазмонных струй».