硅纳米粒子经过训练可以兼顾光线

来自ITMO大学(圣彼得堡)和莫斯科物理科学与技术学院(MIPT)的物理学家团队展示了硅纳米粒子在有效非线性光操作方面的潜力。

他们的工作为开发具有广泛功能的新型光学器件奠定了基础。这些基于硅纳米颗粒的装置将允许根据其强度在指定方向上透射，反射或散射入射光。它们可以集成到微芯片中，从而实现光通信线路和下一代光学计算机中的超快全光信号处理。

非线性天线

宽光谱范围的电磁波用于传输信息：从通过空气传输无线电信号的无线电波到红外辐射和电信中用于通过光纤传输数据的可见光。依赖于电磁波进行信息传输和处理的任何设备的基本组成部分是称为天线的设备，用于接收或传输特定方向的信号。通常需要灵活处理输入信号。这需要使用可重新配置的天线，即在信号处理期间其特性(例如其辐射图案)可以以特定方式改变的天线。一种可能的解决方案依赖于使用非线性天线，其可以通过入射光本身来切换。

MIPT的博士生和该研究的作者之一Denis Baranov对研究结果发表评论：“开发这种可调谐的天线在红外和光学频率下工作是一个重中之重 - 同时也是一个重大挑战” 。如今，我们已经可以通过光纤以高达数百Gbit / s的令人难以置信的速度传输信息。但是，基于硅的电子设备无法以该速率处理输入数据。在光波长下工作的非线性纳米天线可以帮助我们解决这个问题，并使超快全光信号处理成为可能。

硅纳米粒子

为了证明非线性切换，该论文的作者在ACS Photonics上发表，研究了一种介电纳米天线 - 由硅制成的光学共振球形纳米颗粒。虽然所有尺寸的球形颗粒都显示共振，但是粒子的大小决定了它的共振波长。可以在最长波长处观察到的这些共振中的第一个是磁偶极共振。特定波长的入射光在颗粒中感应出圆形电流，类似于在闭合电路中流动的电流。由于硅具有高折射率，直径接近100nm的颗粒已经在光学频率下显示出磁偶极共振，使得它们可用于增强纳米级的各种光学效应。该团队在早期的研究中使用了硅纳米球共振来增强拉曼散射

通过电子等离子体产生来操纵非线性硅纳米天线的光学性质。由于硅是半导体，在正常条件下其导带中几乎没有电子。然而，将其暴露于高强度和非常短的持续时间(≈100飞秒，即约10-13或十万亿分之一秒)的激光脉冲激发电子进入导带。这显着改变了材料的性质以及硅纳米天线本身的行为，使其在入射脉冲的方向上散射光。因此，通过将粒子暴露于短而强的脉冲，可以动态地控制其作为天线的行为。

为了证明超快纳米天线切换，该研究的作者进行了一系列实验，其中涉及用短而强的激光脉冲照射一系列硅纳米颗粒并连续测量它们的透射率。研究人员观察到，结构的透射系数在100飞秒内变化了几个百分点，然后逐渐恢复到初始值。

在实验结果的基础上，研究人员继续开发了一个分析模型，描述了研究中检测到的纳米天线的超快非线性动力学，以及硅中电子等离子体的产生和弛豫。根据该模型，天线散射图(图3)的根本变化发生在很短的时间内 - 大约100飞秒。在脉冲到达之前，粒子在向前方向上散射的能量几乎与在向后方向上相同。然而，在短脉冲的驱动下，天线切换到几乎完全单向的前向散射。实验数据支持的理论预测表明，这种天线的带宽约为250 Gbit / s，