Ловушка для света. Челябинские ученые разрабатывают нанотехнологии управления фотонами

Решение проблемы подсказали исследования новых необычных физических эффектов. Для их изучения на днях выделен крупный грант Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ). Что разработки могут дать для познания виртуального и реального мира, как они изменят нашу жизнь? На эти темы размышляет один из авторов проекта, заведующий кафедрой радиофизики и электроники ЧелГУ, доктор физико-математических наук, профессор Игорь Бычков.

Фотонный проект

— Правда ли, что традиционные материалы непригодны для создания компьютеров будущего?

— Технологии, применяемые для создания современных кремниевых процессоров, приближаются к пределу своих возможностей. Это обусловлено квантово-механическими эффектами, возникающими при уменьшении размеров транзистора до нанометровых, ростом рассеиваемой мощности, пределами скорости распространения электрического сигнала. Но постоянно растущий поток информации требует новых подходов в IT-технологиях.

Один из путей — использование новейших оптических технологий. Идея запрячь фотон в узду ЭВМ возникла с изобретением лазеров.

— По прогнозам, световые технологии придут на смену привычной компьютерной электронике.

— Так и будет! У фотонов по сравнению с электронами целый ряд преимуществ. Информация передается со скоростью света, а световые пучки могут проходить по одной области пространства, не влияя друг на друга. Высокая частота излучения поможет увеличить число информационных каналов, а использование состояния поляризации — объем передачи данных. Возможна и так называемая когерентная обработка информации с использованием фазовых соотношений. Причем оптическая система почти не излучает во внешнюю среду, что делает ее нечувствительной к помехам и обеспечивает защиту от перехвата информации.

— Что препятствует продвижению оптических технологий?

— Главный их недостаток — оптические вычислительные элементы имеют размеры, сравнимые с длиной волны, недопустимо большие для современных устройств. Преодолеть это можно за счет использования плазмон- или фонон-поляритонов, световых квазичастиц на поверхности материала, имеющих намного меньшую длину волны. Свет, преобразованный в форму поверхностного поляритона, как бы сжимается до десятков нанометров.

Вектор света

— Как создать материалы с особыми свойствами, поддерживающие направленное распространение волн?

— Для этого мы применили новейшие плазмонные технологии. Плазмоны — это колебания электронов, способные преобразовать обычный свет в сигнал с меньшей длиной волны, а плазмоника — передача с его с помощью информации.

Для фотонных метаморфоз лучше всего подходят наноструктуры и гиперболические плазмонные метаповерхности на основе 2D-материалов, своего рода двухмерные аналоги трехмерных метаматериалов. Они обладают удивительным эффектом отрицательного преломления: луч проходит через них в обратном направлении. Если обычный свет распространяется во всех направлениях, то в плоских метаповерхностях — в заданном. Это особенно ценно для создания спазеров — аналогов лазеров из двухмерных материалов. Мы разработали математическую модель этих процессов.

— Какие материалы кардинально меняют свойства света?

— В их числе диэлектрик — гексагональный нитрид бора, полупроводники — черный фосфор и дихалькогениды переходных металлов, дисульфид молибдена и диселенид вольфрама. В этом качестве может выступать и полуметаллический чудо-материал графен, и недавно полученные 2D-магнитные материалы на основе силицена и редкоземельных металлов Gd и Eu, CrI3.

К примеру, бесщелевой графен взаимодействует с электромагнитной волной в диапазоне от микроволн до ультрафиолетового излучения. Однослойные дихалькогениды переходных металлов являются полупроводниками и проявляют ценные световые свойства, особенно в ближнем инфракрасном диапазоне.

Гексагональный нитрид бора можно включить в состав самых разных структур, а недавно синтезированный черный фосфор способен удерживать электроны в направлении, перпендикулярном 2D-плоскости, что приводит к уменьшению световой волны.

И мета-, и нано-

— Что это даст для науки и модернизации компьютерных технологий?

— Создание наноструктур и метаповерхностей на основе 2D-материалов открывает широкие возможности. Это и изучение электронных, оптических и магнитных свойств двухмерных материалов, и практическое применение в микро- и наноэлектронике, спинтронике, фотонике, устройствах обработки информации. Пожалуй, главный плюс — миниатюризация микросхем и других элементов, что позволит решить проблему создания сверхмощных, но компактных компьютеров. Начало исследованиям положил академик РАН Жорес Алферов, за что получил Нобелевскую премию.

Метаповерхности позволяют управлять фронтом и фазой электромагнитной волны и могут стать хорошей заменой лазерным линзам. Плазмонные 2D-поверхности можно использовать для решения проблемы интеграции оптоэлементов в современную электронику. Особый интерес вызывают гиперболические матаповерхности, поддерживающие направленное распространение плазмон-поляритонов преобразованного света.

Магнитный эффект

— Как сказывается на поведении 2D-материалов магнитное поле?

— Для создания устройств передачи и обработки информации, основанных на метаповерхностях, необходимо контролировать характеристики плазмон-поляритонов. Одним из механизмов контроля может стать внешнее магнитное поле. Магнитные и оптические свойства наноматериалов могут существенно отличаться от поведения однородных сред, что позволяет контролировать в наномасштабах характеристики отраженного света. Как показали наши исследования, плазмон-поляритонами в магнитных структурах с графеном можно управлять и при помощи магнитного поля, и изменяя характеристики материала.

— При этом проявляются необычные эффекты?

— Магнитное поле приводит к эффекту невзаимности: плазмон-поляритоны распространяются с разными характеристиками в противоположных направлениях. А недавно было доказано, что в топологических структурах, получаемых изменением метаповерхности на основе графена, могут наблюдаться эффекты асимметрии распространения плазмон-поляритонов.

Структурное нарушение оптической симметрии может приводить к необычным свойствам вещества: возникновению асимметричного плазмонного поглощения, новых плазмонных мод — особого вида колебаний, возбуждающихся в сложных системах. Исследование асимметрии оптических свойств может стать очень полезным для топологической фотоники. Широкий диапазон свойств 2D-материалов и возможности комбинирования позволяют исследовать оптические свойства двухмерных материалов, охватывающие спектральный диапазон от микроволн до ультрафиолета.

Эти открытия могут применяться и в спинтронике — разделе физики, связанном с магнитными явлениями.

Звуковой удар

— А какие исследования вы проводите в смежных научных сферах?

— Вместе с французским университетом «Дю Ман» мы получили грант РФФИ для изучения влияния акустических волн на метаматериалы, с ультракоротким магнитным импульсом. Он задает частице нужное направление. Это зависит от анизоторопии — способности менять направление света под воздействием акустических фононов. Если создать внешнее напряжение, свет будет распространяться с разными скоростями. Это явление может намного улучшить обработку компьютерной информации.

Кроме того, изучаем влияние подложки на изменение температуры фазовых переходов магнитных наноматериалов. Вместо хаотичного движения магнитное поле распространяется в одном направлении. Это можно использовать при создании компьютеров, датчиков магнитного поля.

— Продолжите создание технологий будущего?

— Мы получили грант РФФИ для исследования свойств поверхностных плазмон-поляритонов под внешним воздействием. Изучаем эффекты, возникающие при появлении в материале упругих напряжений и деформации. Расширение степеней свободы световых частиц позволит снизить энергопотребление при хранении и обработке информации. Также исследуем изменение свойств материалов в стрейнтронике — платформе для создания устройств нового поколения по обработке данных в привязке к структурным и магнитным эффектам двухмерных диэлектриков.

Недавно вместе с Южным центральным университетом КНР из города Чанши выиграли конкурс на получение гранта РФФИ для разработки новых способов получения химически чистого железа. Вместо сложного энергозатратного процесса планируем очищать его с помощью электромагнитных волн сверхвысокой частоты.