Een antenne is een apparaat dat effectief kan zenden, oppakken, en het omleiden van elektromagnetische straling. Typisch, antennes zijn macroscopische apparaten die in het radio- en microgolfbereik werken. Echter, er zijn vergelijkbare optische apparaten (Fig. 1). De golflengten van zichtbaar licht bedragen enkele honderden nanometers. Als gevolg hiervan, optische antennes zijn, door noodzaak, apparaten van nanoformaat. optische nanoantennes, die kan focussen, direct, en effectief licht doorlaten, hebben een breed scala aan toepassingen, inclusief informatieoverdracht via optische kanalen, fotodetectie, microscopie, biomedische technologie, en zelfs het versnellen van chemische reacties.

Voor een antenne om signalen efficiënt op te vangen en uit te zenden, de elementen ervan moeten resoneren. In de radioband, dergelijke elementen zijn stukjes draad. In het optische bereik, zilveren en gouden nanodeeltjes met plasmonische resonanties (figuur 2a) worden hiervoor al lang gebruikt. Elektromagnetische velden in dergelijke deeltjes kunnen worden gelokaliseerd op een schaal van 10 nanometer of minder, maar de meeste energie van het veld wordt verspild door Joule-verwarming van het geleidende metaal. Deeltjes van diëlektrische materialen zoals silicium met hoge brekingsindices bij zichtbare lichtfrequenties vormen een nieuw alternatief voor plasmonische nanodeeltjes. Als de grootte van het diëlektrische deeltje en de golflengte van het licht precies goed zijn, het deeltje ondersteunt optische resonanties die Mie-resonanties worden genoemd (figuur 2b). Omdat de materiaaleigenschappen van diëlektrica verschillen van die van metalen, het is mogelijk om resistieve verwarming aanzienlijk te verminderen door plasmonische nanoantennes te vervangen door diëlektrische analogen.

Het belangrijkste kenmerk van een materiaal dat de Mie-resonantieparameters bepaalt, is de brekingsindex. Deeltjes gemaakt van materialen met hoge brekingsindexen hebben resonanties die worden gekenmerkt door factoren van hoge kwaliteit. Dit betekent dat in deze materialen, elektromagnetische oscillaties duren langer zonder externe excitatie. In aanvulling, hogere brekingsindices komen overeen met kleinere deeltjesdiameters, waardoor miniatuur optische apparaten mogelijk zijn. Deze factoren maken materialen met een hoge index, d.w.z. die met hoge brekingsindices - meer geschikt voor de implementatie van diëlektrische nanoantennes.

In hun paper gepubliceerd in optiek , de onderzoekers onderzoeken de beschikbare materialen met een hoge index systematisch op hun resonantie in het zichtbare en infrarode spectrum. Dergelijke materialen zijn onder meer halfgeleiders en polaire kristallen zoals siliciumcarbide. Om het gedrag van verschillende materialen te illustreren, de auteurs presenteren hun bijbehorende kwaliteitsfactoren, die aangeven hoe snel oscillaties opgewekt door invallend licht uitsterven. Theoretische analyse stelde de onderzoekers in staat kristallijn silicium te identificeren als het best beschikbare materiaal voor de realisatie van diëlektrische antennes die in het zichtbare bereik werken. Germanium presteerde beter dan andere materialen in de infraroodband. In het midden-infrarode deel van het spectrum, een verbinding van germanium en tellurium presteerde het best (Fig. 3).

Er zijn fundamentele beperkingen aan de waarde van de kwaliteitsfactor. Het blijkt dat hoge brekingsindices in halfgeleiders geassocieerd zijn met interbandovergangen van elektronen, die onvermijdelijk de absorptie van energie met zich meebrengen die door het invallende licht wordt gedragen. Deze absorptie leidt op zijn beurt tot een verlaging van de kwaliteitsfactor, evenals verwarming, die de onderzoekers proberen af ​​te werpen. Er is, daarom, een delicaat evenwicht tussen een hoge brekingsindex en energieverlies.

"Deze studie biedt het meest complete beeld van materialen met een hoge index, laten zien welke van hen optimaal is voor het fabriceren van een nanoantenne die in dit spectrale bereik werkt, en omdat het een analyse biedt van de betrokken productieprocessen, " zegt Dmitry Zuev, onderzoeker bij het metamaterialenlaboratorium van de faculteit Fysica en Engineering, ITMO-universiteit. "Hierdoor kunnen we een materiaal selecteren, evenals de gewenste fabricagetechniek, rekening houdend met de eisen die hun specifieke situatie stelt. Dit is een krachtig hulpmiddel dat het ontwerp en de experimentele realisatie van een breed scala aan diëlektrische nanofotonische apparaten bevordert."

Volgens het overzicht van fabricagetechnieken, silicium, germanium, en galliumarsenide zijn de meest grondig bestudeerde diëlektrica met hoge index die in nanofotonica worden gebruikt. Er is een breed scala aan methoden beschikbaar voor het vervaardigen van resonante nanoantennes op basis van deze materialen, inclusief lithografisch, chemisch, en laserondersteunde methoden. Echter, in het geval van sommige materialen, er is geen technologie ontwikkeld voor de fabricage van resonante nanodeeltjes. Bijvoorbeeld, onderzoekers moeten nog manieren bedenken om nanoantennes te maken van germaniumtelluride, waarvan de eigenschappen in het midden-infraroodbereik door de theoretische analyse het meest aantrekkelijk werden geacht.

"Silicium is momenteel, zonder enige twijfel, het meest gebruikte materiaal bij de fabricage van diëlektrische nanoantennes, " zegt Denis Baranov, een doctoraat student aan MIPT. "Het is betaalbaar, en op silicium gebaseerde fabricagetechnieken zijn goed ingeburgerd. Ook, en dit is belangrijk, het is compatibel met de CMOS-technologie, een industriestandaard in halfgeleidertechniek. Maar silicium is niet de enige optie. Andere materialen met nog hogere brekingsindices in het optische bereik kunnen bestaan. Als ze worden ontdekt, dit zou geweldig nieuws betekenen voor diëlektrische nanofotonica."

De onderzoeksresultaten die door het team zijn verkregen, kunnen door nanofotonica-ingenieurs worden gebruikt om nieuwe resonante nanoantennes te ontwikkelen op basis van diëlektrische materialen met een hoge index. Aanvullend, het artikel suggereert verder theoretisch en experimenteel werk gewijd aan het zoeken naar andere materialen met een hoge index en superieure eigenschappen die kunnen worden gebruikt in nieuwe verbeterde diëlektrische nanoantennes. Dergelijke materialen kunnen, onder andere, worden gebruikt om de efficiëntie van stralingskoeling van zonnecellen aanzienlijk te verhogen, wat een belangrijke technologische vooruitgang zou betekenen.