Un equipo de físicos de la Universidad ITMO, MIPT, y la Universidad de Texas en Austin han desarrollado una nanoantena no convencional que dispersa la luz en una dirección particular dependiendo de la intensidad de la radiación incidente. Los resultados de la investigación ayudarán al desarrollo de un procesamiento óptico de información flexible en los sistemas de telecomunicaciones.

Los fotones, los portadores de radiación electromagnética, no tienen masa ni carga eléctrica. Esto significa que la luz es relativamente difícil de controlar, diferente a, por ejemplo, electrones, que se puede controlar aplicando un campo eléctrico constante. Sin embargo, dispositivos como las nanoantenas permiten cierto grado de control sobre la propagación de ondas electromagnéticas.

Un área que requiere la manipulación de luz "avanzada" es el desarrollo de computadoras ópticas. En estos dispositivos, la información no es transportada por electrones, sino por fotones. El uso de luz en lugar de partículas cargadas tiene el potencial de mejorar en gran medida la velocidad de transmisión y procesamiento de información. Hacer realidad estas computadoras requiere nanoantenas específicas con características que se pueden manipular de alguna manera, aplicando un campo eléctrico o magnético constante, por ejemplo, o variando la intensidad de la luz incidente.

En el artículo publicado en Reseñas de láser y fotónica , Los investigadores diseñaron una nueva nanoantena no lineal que puede cambiar la dirección de dispersión de la luz en función de la intensidad de la onda incidente (Fig. 1). En el corazón de la nanoantena propuesta se encuentran las nanopartículas de silicio, que generan plasma de electrones bajo una fuerte radiación láser. Los autores demostraron previamente las posibilidades de utilizar estas nanopartículas para el control no lineal y ultrarrápido de la luz. Luego, los investigadores lograron manipular porciones de radiación de luz dispersas hacia adelante y hacia atrás. Ahora, cambiando la intensidad de la luz incidente, han encontrado una manera de dirigir un haz de luz dispersa en la dirección deseada.

Para rotar el patrón de radiación de la nanoantena, los autores utilizaron el mecanismo de excitación del plasma en silicio. La nanoantena es un dímero:dos nanoesferas de silicio de diámetros desiguales. Irradiado con un rayo láser débil, esta antena dispersa la luz lateralmente debido a su forma asimétrica (diagrama azul en la Fig. 2A). Los diámetros de las dos nanopartículas se eligen de modo que una partícula resuene a la longitud de onda de la luz láser. Irradiado con un intenso pulso de láser, El plasma de electrones se genera en la partícula resonante, lo que provoca cambios en las propiedades ópticas de la partícula. La otra partícula permanece no resonante, y el potente campo láser tiene poco efecto sobre él. Generalmente hablando, eligiendo con precisión el tamaño relativo de ambas partículas en combinación con los parámetros del haz incidente (duración e intensidad), es posible hacer que el tamaño de las partículas sea prácticamente el mismo, lo que permite que la antena rebote el haz de luz hacia adelante (diagrama rojo en la Fig. 2a).

"Las nanoantenas ópticas existentes pueden controlar la luz en un rango bastante amplio. Sin embargo, esta capacidad suele estar incrustada en su geometría y los materiales de los que están hechos, por lo que no es posible configurar estas características en ningún momento, "dice Denis Baranov, estudiante de posgrado en MIPT y autor principal del artículo. "Las propiedades de nuestra nanoantena, sin embargo, se puede modificar dinámicamente. Cuando lo iluminamos con un débil impulso láser, obtenemos un resultado, pero con un fuerte impulso, el resultado es completamente diferente ".

Los científicos realizaron un modelado numérico del mecanismo de dispersión de la luz, Figura 2b. La simulación mostró que cuando la nanoantena se ilumina con un rayo láser débil, la luz se dispersa hacia los lados. Sin embargo, iluminar la nanoantena con un impulso láser intenso conduce a la generación de plasma de electrones dentro del dispositivo y el patrón de dispersión gira 20 grados (línea roja). Esto brinda la oportunidad de desviar los impulsos incidentes fuertes y débiles en diferentes direcciones.

Sergey Makarov, un investigador principal del Departamento de Nanofotónica y Metamateriales de la Universidad ITMO dice:"En este estudio, nos centramos en el desarrollo de un chip óptico a nanoescala que mide menos de 200 × 200 × 500 nanómetros. Esto es mucho menor que la longitud de onda de un fotón, que lleva la información. El nuevo dispositivo nos permitirá cambiar la dirección de propagación de la luz a una velocidad mucho mejor en comparación con los análogos electrónicos. Nuestro dispositivo podrá distribuir una señal en dos canales ópticos en muy poco tiempo, lo cual es extremadamente importante para los sistemas de telecomunicaciones modernos ".

Hoy dia, la información se transmite a través de fibras ópticas a velocidades de hasta cientos de Gbit / s. Sin embargo, incluso los dispositivos electrónicos modernos procesan estas señales con bastante lentitud, a velocidades de solo unos pocos Gbit / s para un solo elemento. La nanoantena óptica no lineal propuesta puede resolver este problema, ya que funciona a 250 Gbit / s. Esto allana el camino para el procesamiento ultrarrápido de información óptica. La antena no lineal desarrollada por los investigadores brinda más oportunidades para controlar la luz a nanoescala, que se requería para desarrollar con éxito computadoras fotónicas y otros dispositivos similares.