Onderzoekers hebben een driedimensionaal dynamisch model ontwikkeld van een interactie tussen licht en nanodeeltjes. Ze gebruikten een supercomputer met grafische versnellers voor berekeningen. De resultaten laten zien dat siliciumdeeltjes blootgesteld aan korte, intense laserpulsen verliezen tijdelijk hun symmetrie. Hun optische eigenschappen worden sterk heterogeen. Een dergelijke verandering in eigenschappen hangt af van de deeltjesgrootte. Daarom, het kan worden gebruikt voor lichtregeling in ultrasnelle informatieverwerkende apparaten op nanoschaal. De studie is gepubliceerd in Geavanceerde optische materialen .

Verbetering van de huidige computerapparatuur vereist een verdere versnelling van de informatieverwerking. Nanofotonica is een van de disciplines die dit probleem kan oplossen door middel van optische apparaten. Hoewel optische signalen veel sneller kunnen worden verzonden en verwerkt dan elektronische, het is eerst nodig om op kleine schaal licht te leren beheersen. Voor dit doeleinde, onderzoekers gebruiken metaaldeeltjes, die licht efficiënt lokaliseren, toch het signaal verzwakken, uiteindelijk tot aanzienlijke verliezen leiden. Echter, diëlektrische en halfgeleidende materialen zoals silicium kunnen worden gebruikt in plaats van metaal.

Silicium nanodeeltjes worden nu actief bestudeerd door onderzoekers over de hele wereld, waaronder de ITMO-universiteit. Het langetermijndoel van dergelijke studies is het creëren van een ultrasnelle compacte modulator voor optische signalen. Ze kunnen als basis dienen voor computers van de toekomst. Echter, deze technologie zal pas haalbaar worden als onderzoekers begrijpen hoe nanodeeltjes interageren met licht.

"Als een laserpuls het deeltje raakt, er worden binnenin veel vrije elektronen gevormd, " legt Sergey Makarov uit, hoofd van het Laboratorium voor Hybride Nanofotonica en Opto-elektronica van de ITMO University. "Als resultaat wordt een gebied gecreëerd dat verzadigd is met tegengesteld geladen deeltjes. Het wordt meestal een elektron-gat plasma genoemd. Plasma verandert optische eigenschappen van deeltjes en tot nu toe geloofde iedereen dat het gelijktijdig met het hele deeltje gebeurt, zodat de symmetrie behouden blijft. We hebben aangetoond dat dit niet helemaal waar is en dat een gelijkmatige verdeling van het plasma in deeltjes niet het enige mogelijke scenario is."

De wetenschappers ontdekten dat een elektromagnetische storing veroorzaakt door interactie tussen licht en deeltjes een complexere structuur heeft. Dit leidt tot een lichte vervorming, variërend met de tijd. Daarom, de symmetrie van breuken en optische eigenschappen worden in één deeltje anders. "Met behulp van analytische en numerieke methoden, we keken eerst in het deeltje en zagen dat de processen die daar plaatsvinden veel gecompliceerder zijn dan we dachten, " zegt Konstantin Ladutenko, een lid van het International Research Centre of Nanophotonics and Metamaterials van ITMO University. "Bovendien, we ontdekten dat door de deeltjesgrootte te veranderen, we kunnen de interactie met het lichtsignaal beïnvloeden. Dus misschien kunnen we het signaalpad in een heel systeem van nanodeeltjes voorspellen."

Om een ​​hulpmiddel te creëren om processen in nanodeeltjes te bestuderen, wetenschappers van de ITMO-universiteit bundelden hun krachten met collega's van de Jean Monnet-universiteit in Frankrijk. "We hebben analytische methoden voorgesteld om de deeltjesgrootte en brekingsindex te bepalen, die een verandering in optische eigenschappen kunnen opleveren. Daarna, met krachtige rekenmethoden volgden we processen in deeltjes. Onze collega's deden berekeningen op een computer met grafische versnellers. Dergelijke computers worden vaak gebruikt voor cryptocurrency-mining. Echter, we besloten de mensheid te verrijken met nieuwe kennis, in plaats van onszelf te verrijken. Wat is meer, bitcoin-koers begon toen net te dalen, ' zegt Konstantin.

Apparaten op basis van dergelijke nanodeeltjes kunnen basiselementen worden van optische computers, net zoals transistoren nu basiselementen van elektronica zijn. Ze zullen het mogelijk maken om het signaal te verspreiden en om te leiden of te vertakken. "Dergelijke asymmetrische structuren hebben een verscheidenheid aan toepassingen, maar we richten ons op ultrasnelle signaalverwerking, " vervolgt Sergey. "Nu hebben we een krachtige theoretische tool die ons zal helpen om een ​​snel en compact lichtmanagementsysteem te ontwikkelen."