eng
Просмотры: 1285
31.08.2015
Профессор МГУ совместно с коллегами из Франции и Испании создал диэлектрический «шарик» для передачи информации, который может стать основным элементом компьютеров будущего, сообщает пресс-служба МГУ имени М.В. Ломоносова.
ЭРА ОПТИЧЕСКИХ КОМПЬЮТЕРОВ НЕ ЗА ГОРАМИ
Скорость работы процессоров современных бытовых компьютеров уже близка к своему пределу, считают специалисты. Следует ожидать дальнейшего умножения ядер, однако этот процесс не бесконечен, и насыщение, судя по всему, наступит довольно скоро. Поэтому множество исследовательских групп по всему миру работают сейчас над созданием сверхбыстрых оптических систем, которые смогли бы заменить электронные схемы.
Желательно, чтобы такие системы имели возможно меньшие размеры. С другой стороны, оптическое излучение обладает своим характерным масштабом – длиной волны, которая в видимой области составляет порядка 0,5 микрона. Для современных электронных устройств со сверхплотной упаковкой элементов это очень большой масштаб. Чтобы эффективно конкурировать с такими электронными системами, соответствующие оптические схемы должны быть работоспособными на масштабах, много меньших длины волны. Эти проблемы относятся к области новой современной дисциплины, получившей название субволновой оптики. Задачи субволновой оптики – манипулировать излучением на масштабах, меньших длины волны, то есть делать то, что в традиционной оптике линз и зеркал считалось принципиально невозможным.
Для этого исследователи во всем мире изучают диэлектрики с большим коэффициентом преломления. Свободных электронов там нет, все они связаны со своими атомами, поэтому под воздействием света там не могут возникать токи проводимости. Однако электромагнитная волна действует на электроны внутри каждого атома, смещая их из положения равновесия. В результате атом приобретает наведенный электрический момент. Такое явление называется поляризацией.
Чем более способен атом поляризоваться под действием электромагнитной волны, тем выше показатель преломления у соответствующего вещества. Оказалось, что взаимодействие со светом шарика, изготовленного из вещества с большим показателем преломления, во многих аспектах похоже на описанные выше явления плазмонного резонаса в металлах, с одним, но весьма важным исключением: в отличие от металлов, многие диэлектрики на оптических частотах имеют малое затухание. Мы часто пользуемся этим их свойством в повседневной жизни (например, именно малостью затухания на оптических частотах обусловлена прозрачность стекол).
Начальный импульс исследованию дала давняя работа профессора Михаила Трибельского (физический факультет МГУ и Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники МИРЭА).
Но в 1984 году это мало кому было интересно – нанотехнологий еще и в помине не было. Первая ссылка на эту работу Трибельского появилась в 2004 году – ровно через 20 лет после ее опубликования. Сегодня же открытое им рассеяние широко признано и носит название «аномального». Однако и здесь мы сталкиваемся с роковой ролью диссипативных процессов. Чтобы наблюдать аномальное рассеяние, нужны металлы с очень малым электрическим сопротивлением на оптических частотах.
Естественной вопрос, который возникает в этой ситуации: можно ли, воспользовавшись малостью затухания, увидеть на диэлектрическом шарике из материала с большим показателем преломления то, что из-за большого затухания нельзя наблюдать при поляритонных резонансах в металлах?
СОВМЕСТНЫЙ МОЗГОВОЙ ШТУРМ
Поиски ответа на этот вопрос и привели к совместной работе лаборатории профессора МГУ с коллегами из Франции и Испании. Экспериментируя с диэлектрическим шариком диаметром в 2 сантиметра, изготовленным из специальной керамики, его «научили» переизлучать направленное на него электромагнитное излучение в другом направлении. Причем, направление это можно существенно менять незначительным изменением частоты падающего излучения.
По словам Трибельского, такой шарик имеет сравнительно узкие резонансные линии, связанные с возбуждением колебаний его поляризации, аналогично тому, как металлический шарик имеет резонансные частоты, связанные с колебанием электронного газа. Каждая линия соответствует возбуждению определенного типа колебаний, называемых гармониками, или парциальными модами. Каждая гармоника имеет фиксированную зависимость интенсивности рассеянного излучения от угла, под которым происходит рассеяние, определяемую только порядковым номером этой гармоники. Полное излучение, рассеиваемое шариком, есть сумма излучений всех гармоник (парциальных волн). Парциальные волны, складываясь, интерферируют друг с другом. То, что линии узкие, позволяет возбуждать парциальные моды селективно, управляя этой интерференцией. А это, в свою очередь, позволяет перераспределять падающее излучение в желаемом направлении.
«Экспериментальная красота этой работы в том, что явления, происходящие на наномасштабах в оптическом диапазоне, удалось смоделировать в сантиметровом диапазоне при помощи микроволнового излучения – того самого, которым разогревают суп в микроволновке, − приводит слова профессора пресс-служба МГУ. − В оптике хорошо известно, что если есть два объекта одинаковой формы, но разного размера, с одним тем же коэффициентом преломления, и если на каждый из них падает электромагнитная волна, то они одинаково рассеивают ее при условии, что для каждого из объектов отношение его линейных размеров к длине волны излучения одно и то же. В этом и состояла идея эксперимента. Но путь от идеи до окончательных результатов был очень непрост. Достаточно сказать, что экспериментаторам удалось выделить полезный сигнал на фоне паразитного, амплитуда которого была в 3000 раз (!) больше полезного».
ГДЕ МОЖНО ИСПОЛЬЗОВАТЬ НАНОШАРИКИ
Важность полученных результатов с точки зрения их возможных практических применений состоит в том, что технология изготовления таких наношариков для их работы в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах относительно проста и не требует экзотических дорогостоящих материалов. Помимо оптических компьютеров, которые пока остаются в области виртуальной реальности, наношарики могут быть использованы в медицине и телекоммуникационных системах.
Скорость работы процессоров современных бытовых компьютеров уже близка к своему пределу, считают специалисты. Следует ожидать дальнейшего умножения ядер, однако этот процесс не бесконечен, и насыщение, судя по всему, наступит довольно скоро. Поэтому множество исследовательских групп по всему миру работают сейчас над созданием сверхбыстрых оптических систем, которые смогли бы заменить электронные схемы.
Желательно, чтобы такие системы имели возможно меньшие размеры. С другой стороны, оптическое излучение обладает своим характерным масштабом – длиной волны, которая в видимой области составляет порядка 0,5 микрона. Для современных электронных устройств со сверхплотной упаковкой элементов это очень большой масштаб. Чтобы эффективно конкурировать с такими электронными системами, соответствующие оптические схемы должны быть работоспособными на масштабах, много меньших длины волны. Эти проблемы относятся к области новой современной дисциплины, получившей название субволновой оптики. Задачи субволновой оптики – манипулировать излучением на масштабах, меньших длины волны, то есть делать то, что в традиционной оптике линз и зеркал считалось принципиально невозможным.
Для этого исследователи во всем мире изучают диэлектрики с большим коэффициентом преломления. Свободных электронов там нет, все они связаны со своими атомами, поэтому под воздействием света там не могут возникать токи проводимости. Однако электромагнитная волна действует на электроны внутри каждого атома, смещая их из положения равновесия. В результате атом приобретает наведенный электрический момент. Такое явление называется поляризацией.
Чем более способен атом поляризоваться под действием электромагнитной волны, тем выше показатель преломления у соответствующего вещества. Оказалось, что взаимодействие со светом шарика, изготовленного из вещества с большим показателем преломления, во многих аспектах похоже на описанные выше явления плазмонного резонаса в металлах, с одним, но весьма важным исключением: в отличие от металлов, многие диэлектрики на оптических частотах имеют малое затухание. Мы часто пользуемся этим их свойством в повседневной жизни (например, именно малостью затухания на оптических частотах обусловлена прозрачность стекол).
Начальный импульс исследованию дала давняя работа профессора Михаила Трибельского (физический факультет МГУ и Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники МИРЭА).
Но в 1984 году это мало кому было интересно – нанотехнологий еще и в помине не было. Первая ссылка на эту работу Трибельского появилась в 2004 году – ровно через 20 лет после ее опубликования. Сегодня же открытое им рассеяние широко признано и носит название «аномального». Однако и здесь мы сталкиваемся с роковой ролью диссипативных процессов. Чтобы наблюдать аномальное рассеяние, нужны металлы с очень малым электрическим сопротивлением на оптических частотах.
Естественной вопрос, который возникает в этой ситуации: можно ли, воспользовавшись малостью затухания, увидеть на диэлектрическом шарике из материала с большим показателем преломления то, что из-за большого затухания нельзя наблюдать при поляритонных резонансах в металлах?
СОВМЕСТНЫЙ МОЗГОВОЙ ШТУРМ
Поиски ответа на этот вопрос и привели к совместной работе лаборатории профессора МГУ с коллегами из Франции и Испании. Экспериментируя с диэлектрическим шариком диаметром в 2 сантиметра, изготовленным из специальной керамики, его «научили» переизлучать направленное на него электромагнитное излучение в другом направлении. Причем, направление это можно существенно менять незначительным изменением частоты падающего излучения.
По словам Трибельского, такой шарик имеет сравнительно узкие резонансные линии, связанные с возбуждением колебаний его поляризации, аналогично тому, как металлический шарик имеет резонансные частоты, связанные с колебанием электронного газа. Каждая линия соответствует возбуждению определенного типа колебаний, называемых гармониками, или парциальными модами. Каждая гармоника имеет фиксированную зависимость интенсивности рассеянного излучения от угла, под которым происходит рассеяние, определяемую только порядковым номером этой гармоники. Полное излучение, рассеиваемое шариком, есть сумма излучений всех гармоник (парциальных волн). Парциальные волны, складываясь, интерферируют друг с другом. То, что линии узкие, позволяет возбуждать парциальные моды селективно, управляя этой интерференцией. А это, в свою очередь, позволяет перераспределять падающее излучение в желаемом направлении.
«Экспериментальная красота этой работы в том, что явления, происходящие на наномасштабах в оптическом диапазоне, удалось смоделировать в сантиметровом диапазоне при помощи микроволнового излучения – того самого, которым разогревают суп в микроволновке, − приводит слова профессора пресс-служба МГУ. − В оптике хорошо известно, что если есть два объекта одинаковой формы, но разного размера, с одним тем же коэффициентом преломления, и если на каждый из них падает электромагнитная волна, то они одинаково рассеивают ее при условии, что для каждого из объектов отношение его линейных размеров к длине волны излучения одно и то же. В этом и состояла идея эксперимента. Но путь от идеи до окончательных результатов был очень непрост. Достаточно сказать, что экспериментаторам удалось выделить полезный сигнал на фоне паразитного, амплитуда которого была в 3000 раз (!) больше полезного».
ГДЕ МОЖНО ИСПОЛЬЗОВАТЬ НАНОШАРИКИ
Важность полученных результатов с точки зрения их возможных практических применений состоит в том, что технология изготовления таких наношариков для их работы в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах относительно проста и не требует экзотических дорогостоящих материалов. Помимо оптических компьютеров, которые пока остаются в области виртуальной реальности, наношарики могут быть использованы в медицине и телекоммуникационных системах.
Комментарии читателей
