Ученые рассчитали, как замедлить свет в наноразмерном волноводе
 Схематическое изображение процесса остановки света в волноводе. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
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.
Также по теме:
- Предложен метод получения «частотной гребенки» без лазера накачки
- Квантовые точки позволяют улучшить солнечные концентраторы
- Предложен способ улучшения КПД солнечных элементов с помощью контактов из оксида молибдена
- Комбинационное рассеяние улучшает техники отображения, используемые в медицине
- Ученые нашли способ усовершенствовать техники фотоакустического медицинского отображения
Источники: