Группа исследователей из США разработала новый тип оптического процессора, который может смешивать два световых луча различного цвета для получения третьего с совершенно иными характеристиками. Состоит устройство из плазмонных наночастиц металлов, расположенных так, что при этом образуется определенный геометрический узор.

В будущем, по мнению разработчиков, устройство может найти применение в сфере высокопроизводительной оптической обработки информации.

Стоит отметить, что процессор может использоваться для производства широкого спектра цветов простым изменением длины волны входящего излучения.

Наноплазмоника – новая и весьма перспективная область изучения отдельных металлических наноструктур, которые могут быть в будущем использованы для изготовления крошечных оптоэлектронных устройств. Металлические наночастицы сильно взаимодействуют со светом за счет так называемых локализованных поверхностных плазмонов, квазичастиц, представляющих собой коллективные колебания электронов на поверхности металла.

В рамках данного научного направления работают десятки групп по всему миру. Одна из них – из Rice University (США) – занималась изучением кластера из 13 плотно упакованных нанодисков золота (ширина которых составляла 120 нм, а толщина – 50 нм). Объекты в созданной ими структуре были разделены промежутками в 18 нм и расположены полукругом на прозрачной подложке, созданной на основе кремния.

По задумке ученых реализованная ими структура повышает интенсивность нелинейных оптических эффектов. Как правило, в «классической» среде пересекающиеся лучи света не взаимодействуют друг с другом. Однако, ситуация изменяется, если лучи распространяются в нелинейной среде с электромагнитными свойствами, позволяющими «включить» взаимодействие между световыми пучками.

В созданном учеными устройстве нелинейные эффекты усиливаются путем создания интенсивных электрических полей в зазорах между нанодисками, внутри которых возникли так называемые резонансы Фано. Эти резонансы позволили использовать в работе устройства обычно достаточно слабые нелинейные эффекты, к примеру, четырехволновое смещение – известное явление нелинейной оптики, в рамках которого взаимодействие волн с двумя различными длинами приводит к образованию двух новых сигналов (с частотами, отличных от первоначальных).

Иными словами, явление позволяет контролировать свет при помощи света. А эффективность этого контроля как раз достигается за счет когерентных резонансов Фано.

Описанные эффекты легли в основу нового оптического процессора. Как считают ученые,

разработанное ими устройство имеет гораздо более высокую эффективность цветового преобразования, нежели аналогичные известные на сегодня диэлектрические и нелинейные оптические кристаллы.

Стоит отметить, что методики численных расчетов, а также вариация методики электронно-лучевой литографии, применявшаяся учеными для создания своего нелинейного оптического устройства, могут быть легко применены к широкому спектру аналогичных работ, в том числе, к созданию нелинейных оптических материалов, позволяющих смешивать лучи света и создавать «новые» цвета. При этом нанокластеры, составляющие устройство, могут использоваться в качестве строительных блоков для более сложных, но при этом высокоэффективных «цепей» оптической обработки информации.

Группа ученых отмечает, что

в будущем планируется расширять спектр разрабатываемых нелинейных оптических устройств. Подробные результаты их работы были опубликованы в PNAS.