До недавнего времени физики считали, что невозможно сжать свет ниже так называемого дифракционного предела, за исключением случаев использования металлических наночастиц, которые также поглощают свет. Казалось невозможным сильно сжать свет в диэлектрических материалах, таких как кремний, которые необходимы для информационных технологий и имеют значительное преимущество, заключающееся в том, что они не поглощают свет. Интересно, что теоретически было показано, что дифракционный предел не распространяется на диэлектрики еще в 2006 году. Однако никому не удалось продемонстрировать это в реальном мире из-за того, что для этого требуются такие сложные нанотехнологии, что до сих пор никому не удавалось для создания необходимых диэлектрических наноструктур.
Исследовательская группа из Технического университета Дании создала устройство, известное как "диэлектрическая нанополость", которое успешно концентрирует свет в объеме, в 12 раз меньше дифракционного предела. Открытие является новаторским в оптических исследованиях и недавно было опубликовано в журнале Nature Communications.
Хотя компьютерные расчеты показывают, что можно сконцентрировать свет в бесконечно малой точке, это применимо только в теории. Фактические результаты ограничены тем, как можно изготовить мелкие детали, например, на микрочипе. Исследователи запрограммировали имеющиеся знания о реальной фотонной нанотехнологии и ее текущих ограничениях в компьютер. Затем они попросили компьютер найти схему, которая собирает фотоны на беспрецедентно малой площади — в оптической нанорезонаторе — которую позднее смогли построить в лаборатории.
Оптические нанорезонаторы — это структуры, которые были специально разработаны для удержания света таким образом, что он не распространяется нормально, а отбрасывается взад и вперед, как если бы два зеркала были обращены друг к другу. Чем ближе зеркала друг к другу, тем интенсивнее становится свет между ними. Для этого эксперимента исследователи создали структуру в виде галстука-бабочки, которая благодаря своей уникальной форме особенно эффективно сжимает фотоны
Теория дифракционного предела описывает, что свет не может быть сфокусирован в объеме меньше половины длины волны в оптической системе — например, это относится к разрешению в микроскопах. Однако наноструктуры могут состоять из элементов, намного меньших, чем длина волны, а это означает, что дифракционный предел больше не является фундаментальным пределом. Структуры бабочки, в частности, могут сжимать свет в очень маленькие объемы, ограниченные размерами бабочки и, следовательно, качеством наноизготовления. Когда свет сжимается, он становится более интенсивным, усиливая взаимодействие между светом и материалами, такими как атомы, молекулы и двумерные материалы.
Диэлектрические материалы являются электроизоляционными. Стекло, резина и пластик являются примерами диэлектрических материалов, и они контрастируют с металлами, которые обладают электропроводностью. Примером диэлектрического материала является кремний, который часто используется в электронике, а также в фотонике.
Нанорезонатор изготовлен из кремния, диэлектрического материала, на котором основаны самые передовые современные технологии. Материал для нанорезонатора был разработан в лабораториях чистых помещений в DTU, а шаблоны, на которых основана полость, оптимизированы и спроектированы с использованием уникального метода оптимизации топологии, разработанного в DTU. Первоначально разработанный для проектирования мостов и крыльев самолетов, теперь он также используется для нанофотонных структур.
Открытие может иметь решающее значение для разработки революционных новых технологий, которые могут уменьшить количество потребляющих энергию компонентов в центрах обработки данных, компьютерах, телефонах и т. д.
Энергопотребление компьютеров и центров обработки данных продолжает расти, и существует потребность в более устойчивых архитектурах микросхем, потребляющих меньше энергии. Этого можно добиться заменой электрических цепей оптическими компонентами. Видение исследователей состоит в том, чтобы использовать такое же разделение труда между светом и электронами, как и в Интернете, где свет используется для связи, а электроника — для обработки данных. Единственное отличие состоит в том, что обе функции должны быть встроены в один и тот же чип, что требует, чтобы свет был сжат до того же размера, что и электронные компоненты. Прорыв в DTU показывает, что это действительно возможно.
Теперь исследователи будут работать дальше и совершенствовать методы и материалы, чтобы найти оптимальное решение.