Ученые рассчитали, как замедлить свет в наноразмерном волноводе

Схематическое изображение процесса остановки света в волноводе. (кликните картинку для увеличения)

Схематическое изображение процесса остановки света в волноводе. (кликните картинку для увеличения)

28.04.2014 (6:00)
Просмотров: 1944
Рейтинг: 2.00
Голосов: 1

Теги:
свет, скорость,
Естественные науки >> Физика






Ваша оценка
-2 -1 0 1 2
Свет может нести информацию с невероятной скоростью. Однако для обработки этой информации может потребоваться определенное время. В своей последней работе группа ученых из США предлагает для упрощения обработки замедлить световые импульсы до скорости 20 метров в секунду в рамках наноразмерных структур. Упомянутое «замедление» света будет осуществляться внутри волноводов, выполненных из длинной кремниевой полосы, расположенной между слоями другого материала. Импульс будет угасать спустя довольно короткий промежуток времени, но, несмотря на это потенциально предложенная техника все равно может применяться для создания быстрых оптических переключателей, нанолазеров или высокоэффективных солнечных элементов.

Первый успешный эксперимент по остановке света был проведен в газе, где исследователи использовали так называемую электромагнитно индуцированную прозрачность (или EIT – процесс, в котором распространение света через материал управляется вторым световым лучом). Хотя примененная методика потенциально могла бы замедлить свет до нулевой скорости, она позволяет управлять этим процессом лишь в узком диапазоне частот. Кроме того, «остановленный свет» - это не совсем свет, а энергия, трансформировавшаяся в спиновые состояния электрона материала. На деле же ученые стремятся сохранить фотоны даже в точке с нулевой скоростью. Соответственно, научные группы по всему миру ищут другие подходы к замедлению, которые позволили бы не только, грубо говоря, снизить скорость распространения информации, но сохранить сами фотоны. Правда, на сегодняшний день большинство из предложенных методик способны замедлять свет не более чем в 100 раз.

Одна из систем, которые потенциально могут остановить свет, - это плазмонные волноводы, которые обычно состоят из нескольких слоев металла и непроводящего материала (диэлектрика, через который распространяется свет). Свет не может проникать глубоко в металл, поэтому он распространяется вдоль границы металла и диэлектрика. Причем, модель распространения определяется структурой материала и тем, как именно свет попадает в этот волновод.

Исследователи из Imperial College London (Великобритания) ранее предлагали методику остановки света в плазмонных волноводах, содержащих метаматериалы. Эти композиты позволяют резко изменять направление света, так что он может развернуться практически в обратном направлении, пересекая упомянутую границу. Согласно расчетам ученых, в системе должно было существовать несколько так называемых «режимов нулевой скорости», в которых свет «застревает» между двумя слоями метаматериала (двигаясь то в одном, то в другом направлении). Другие исследователи пытались реализовать подобные схемы на практике, но выяснилось, что потери, связанные с рассеянием и поглощением фотонов, исключают большинство режимов «нулевой скорости», оставляя только один – так называемый режим сложной частоты – который не так уж легко получить в волноводе.

В своей последней работе совместная группа ученых из University of California (США) и упомянутого выше Imperial College London (Великобритания) нашла способ возбуждения режима «нулевой скорости» в простом волноводе. Для этого исследователи не использовали никаких сложных метаматериалов, применяя лишь фрагмент кремния толщиной 300 нм, зажатый между двумя слоями оксида индия и олова (или ITO). Для ИК-света с определенной поляризацией ITO ведет себя, как метаматериал, в результате чего световые волны изменяют направление распространения, пересекая границу кремния и ITO. Для возбуждения соответствующих мод в этом волноводе команда использовала поляризованные импульсы из ближней ИК-области, которые попадали в материал через один из слоев ITO, толщина которого была всего 500 нм (что позволило свету проходить через слой). Изменяя угол падения светового луча, команда могла настраивать длину волны света в волноводе, возбуждая только требуемый режим «нулевой скорости». Численные расчеты показали, что использование такой конструкции позволило замедлить свет в 15000000 раз.

Из-за рассеяния и поглощения фотонов световой импульс продолжает существовать в материале всего 130 фемтосекунд. Но, по мнению ученых, этого достаточно, чтобы успеть продлить его время жизни за счет существующих методик. В перспективе предложенная технология может найти применение в самых разнообразных областях, в частности, в альтернативной энергетике.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Нравится


Екатерина Баранова

Также по теме:

Источники:



самое популярное

Рисование по клеточкам картинки для личного дневника рисунки по клеточкам.
Rambler's Top100