Давнишняя и любимая тема писателей-фантастов – космические яхты с солнечными парусами, движимые оптическими силами солнечного света. Однако, и это давно известно, давление, создаваемое излучением Солнца, слишком мало, чтобы «наполнить ветром» даже паруса сверх больших размеров. Тем не менее, давления света хватает для того, чтобы двигать машины наноразмеров, что и продемонстрировала в своих экспериментах группа исследователей Инженерной Школы Йельского Университета (Yale School of Engineering & Applied Science).

Работа ученых из Йельского Университета открывает дверь в новый класс полупроводниковых устройств, управляемых силой света. Эта работа показывает путь к устройствам будущего, где сила света управляет обработкой квантовой информации, сенсорами, телекоммуникационными системами, работающими со скоростью света, но потребляющими минимум энергии.

Результаты работы опубликованы в журнале Nature от 27 ноября с.г. (Harnessing optical forces in integrated photonic circuits. -Mo Li, W. H. P. Pernice, C. Xiong, T. Baehr-Jones, M. Hochberg, H. X. Tang,– Nature 456, 480 – 484 (27 Nov 2008), doi: 10.1038/nature07545, Letter). Очевидно, что исследование находится на стыке двух областей- нанофотоники и наномеханики, где требуется экстремальная миниатюризация и оптики и исполнительной механики на кремниевом чипе.

«Сила» света недостаточна для использования ее в повседневной жизни, однако может быть использована в нанодиапазоне, где все устройства и детали системы имеют размеры, выраженные в нанометрах и имеют порядок, сравнимый с размером типового сегодняшнего транзистора. До настоящего времени были известны экспериментальные работы, где для перемещения одиночных крошечных объектов было использовано сфокусированное лазерное излучение – метод так называемого оптического пинцета (иногда «лазерный пинцет» или «оптическая ловушка»). По словам ведущего автора статьи – докторанта Мо Ли (Mo Li), вместо того, чтобы двигать светом частицы, они собрали все на одном микрочипе и двигают полупроводниковое устройство.

Когда исследователи говорят об использовании оптических сил, обычно имеется ввиду давление света (такое давление иногда называют радиационным давлением), которое действует в направлении распространения светового потока. Силы, которые группа исследует, на самом деле возникают и действуют в направлении от центра к периферии светового пучка.

Опто-электронная система, в которой оптическая сила была использована для перемещения наномеханических составляющих (оконтуренная зона на рисунке).

Несмотря на то, что такие новые силы были предсказаны несколькими теориями, однако, доказательства требовали новейшей нано-опто-электронной техники и технологии для того, чтобы удержать пучок света сверх высокой интенсивности в пределах оптико-электронных световодов. Исследователи показали, что при прохождении концентрированного света сквозь механическое устройство наноразмера, может генерироваться значительное радиационное давление, достаточное для оперирования наноустройствами в кремниевом чипе.

Давление света было трассировано точно также, как и компоновка электронной проводки на больших интегральных схемах. Поскольку сила света значительно выше в масштабе наноразмеров, ученые смогли ее использовать для механического перемещения частей контура. Расчеты показали, что освещение (плотность энергии), которую создавали в контуре, в миллион раз превышала таковую от прямого солнечного освещения.

Исследователи показали, что когда концентрированный свет проходит через отдельно стоящий наномеханический фотонный резонатор (который одновременно является волноводом для этого пучка света), этот резонатор изгибается. Оптическая сила, вызывающая это смещение, может быть измерена как смещение в разъеме, соединяющем резонатор и подложку (см. рис). Эта сила может быть достаточно велика (достигая 8 пиконьютонов на мкм на мВт) для того, чтобы заставить двигаться наноскопические устройства на чипе.

Группа сумела создать сотни подобных устройств на одном чипе, и все они работали от того же источника излучения. Помощь в дизайне и изготовлении столь исключительных оптико-механических устройств оказали коллеги и партнеры из University of Washington. Потребовалось 60 лет, чтобы пройти путь от создания первого транзистора до современных компьютеров. Создание устройств, управляемых исключительно светом, означает начало аналогичного процесса развития новых более быстродействующих систем. Разработчики считают эти результаты гигантским шагом вперед в области будущих компьютерных технологий и НЭМС. По мнению авторов, весьма сдерживающим фактором в развитии этой области будут механические аспекты систем.

Евгений Биргер