Een groep wetenschappers van de ITMO University in Sint-Petersburg heeft een nieuwe benadering voorgesteld voor effectieve manipulatie van licht op nanoschaal op basis van hybride metaal-diëlektrische nanoantennes. De nieuwe technologie belooft een nieuw platform voor ultradichte optische gegevensregistratie tot stand te brengen en de weg vrij te maken voor fabricage met hoge doorvoer van een breed scala aan optische nanodevices die in staat zijn om te lokaliseren, het verbeteren en manipuleren van licht op nanoschaal. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in Geavanceerde materialen .

Een nanoantenne is een apparaat dat vrij voortplantend licht omzet in gelokaliseerd licht dat is gecomprimeerd tot enkele tientallen nanometers. De lokalisatie stelt wetenschappers in staat om licht op nanoschaal effectief te beheersen. Dit is een van de redenen waarom nanoantennes de fundamentele bouwstenen kunnen worden van toekomstige optische computers die afhankelijk zijn van fotonen in plaats van elektronen om informatie te verwerken en te verzenden. Deze onvermijdelijke vervanging van de informatiedrager hangt samen met het feit dat fotonen elektronen enkele ordes van grootte overtreffen in termen van informatiecapaciteit, minder energie nodig hebben, sluit circuitverwarming uit en zorg voor gegevensuitwisseling met hoge snelheid.

Tot voor kort, de productie van vlakke arrays van hybride nanoantennes voor lichtmanipulatie werd als een uiterst moeizaam proces beschouwd. Een oplossing voor dit probleem werd gevonden door onderzoekers van de ITMO University in samenwerking met collega's van de Sint-Petersburg Academic University en het Joint Institute for High Temperatures in Moskou. De onderzoeksgroep heeft voor het eerst een techniek ontwikkeld om dergelijke arrays van hybride nanoantennes te maken en om individuele nanoantennes binnen de array zeer nauwkeurig af te stellen. De prestatie werd mogelijk gemaakt door vervolgens twee productiefasen te combineren:lithografie en nauwkeurige blootstelling van de dananoantenne aan een femtoseconde laser, een ultrakorte impulslaser.

Een praktische toepassing van hybride nanoantennes is ultradichte gegevensregistratie. Moderne optische stations kunnen informatie opnemen met een dichtheid van ongeveer 10 Gbit/inch2, wat gelijk is aan de grootte van een enkele pixel van een paar honderd nanometer. Hoewel dergelijke afmetingen vergelijkbaar zijn met de grootte van de nanoantennes, de wetenschappers stellen voor om hun kleur bovendien in het zichtbare spectrum te controleren. Deze procedure leidt tot de toevoeging van nog een andere 'dimensie' voor gegevensregistratie, waardoor onmiddellijk de volledige gegevensopslagcapaciteit van het systeem wordt vergroot.

Afgezien van ultradichte gegevensregistratie, de selectieve modificatie van hybride nanoantennes biedt nieuwe ontwerpen van hybride meta-oppervlakken, golfgeleiders en compacte sensoren voor omgevingsmonitoring. In de nabije toekomst, de onderzoeksgroep is van plan zich te concentreren op de ontwikkeling van dergelijke specifieke toepassingen van hun hybride nanoantennes.

De nanoantennes zijn gemaakt van twee componenten:een afgeknotte siliconen kegel met daarop een dunne gouden schijf. Dankzij laserhervorming op nanoschaal, het is mogelijk om de vorm van het gouddeeltje precies te wijzigen zonder de siliciumkegel aan te tasten. De verandering in de vorm van het gouddeeltje resulteert in veranderende optische eigenschappen van de nanoantenne als geheel vanwege verschillende mate van resonantie-overlap tussen de silicium en gouden nanodeeltjes.

"Onze methode opent de mogelijkheid om de optische eigenschappen van nanoantennes geleidelijk te veranderen door middel van selectief lasersmelten van de gouden deeltjes. Afhankelijk van de intensiteit van de laserstraal, het gouden deeltje zal ofwel schijfvormig blijven, verander in een kopje of word een wereldbol. Een dergelijke nauwkeurige manipulatie stelt ons in staat om in een flits van een seconde een functionele hybride nanostructuur met gewenste eigenschappen te verkrijgen, " zegt Sergey Makarov, een van de auteurs van het artikel en onderzoeker bij de afdeling Nanophotonics and Metamaterials van ITMO University.

In tegenstelling tot conventionele warmtegeïnduceerde fabricage van nanoantennes, de nieuwe methode verhoogt de mogelijkheid om individuele nanoantennes binnen de array aan te passen en nauwkeurige controle uit te oefenen over de optische eigenschappen van de hybride nanostructuren.

"Ons concept van asymmetrische hybride nanoantennes verenigt twee benaderingen waarvan eerder werd gedacht dat ze elkaar uitsluiten:plasmonics en volledig diëlektrische nanofotonica. Onze hybride nanostructuren hebben de voordelen van beide benaderingen geërfd:lokalisatie en verbetering van licht op nanoschaal, lage optische verliezen en het vermogen om het verstrooiingsvermogenspatroon te beheersen. Beurtelings, het gebruik van laserreshaping helpt ons om de optische eigenschappen van dergelijke structuren nauwkeurig en snel te veranderen en misschien zelfs informatie met een extreem hoge dichtheid vast te leggen, " zegt Dmitry Zuev, hoofdauteur van de studie en onderzoeker bij de afdeling Nanophotonics and Metamaterials van ITMO University.