Научная
деятельность
Университет ИТМО

Впервые изготовлены топологические наноструктуры, которые делают видимым инфракрасный свет

Международная группа физиков построила топологическую наноструктуру, которая преобразует инфракрасное излучение в зеленый свет. Она представляет собой цепочку из одиннадцати кремниевых дисков диаметром 500 нанометров на стеклянной подложке. Статья опубликована в Nature Nanotechnology.

Топологическая фотоника позволяет предсказать, как фотоны будут взаимодействовать со средой и как заставить эти частицы обходить различные дефекты материала вместо того, чтобы рассеиваться на них. Это важно, чтобы научиться передавать оптический сигнал на большие расстояния и сделать вычислительные и коммуникационные системы эффективнее. Теоретически, нелинейные устройства, позволяющие управлять направлением света, а также его интенсивностью и длиной волны, были описаны несколько лет назад. Но до сих пор их не получалось собрать на наномасштабах.

Группа ученых Университета ИТМО, ФТИ имени А.Ф. Иоффе, МГУ, Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород), а также из США и Австралии под руководством Юрия Кившаря впервые сумела изготовить такую структуру размером порядка ста нанометров. Для этого они построили зигзагообразный массив из одиннадцати кремниевых нанодисков, расположенных на стеклянной подложке. Диски диаметром 510 и толщиной 300 нанометров разместили на расстоянии 20 нанометров друг от друга. Когда исследователи светили на такой массив инфракрасным лазером, на конце цепочки генерировался зеленый свет. Таким образом, структура подтвердила способность нелинейно преобразовывать излучение.

Юрий Кившарь
Юрий Кившарь

В ряде дальнейших экспериментов ученые убедились, что нелинейная генерация света идет резонансно из топологических краевых состояний фотонов на краях цепочки. Затем ученые проверили, как сильно нелинейно-оптические свойства наноструктуры зависят от ее дефектов и неоднородностей. Оказалось, что структура устойчива к небольшим изменениям геометрии. Результаты, полученные в ходе этих экспериментов, согласуются с теоретической моделью.

«В настоящее время наука становится все более интернациональной, стирая границы между странами и континентами. Эта работа является хорошим примером такого развития: идея, пришедшая из России, была реализована на структурах, изготовленных в США, в экспериментах, проведенных в Австралии. Далее ее подробно объяснили молодые ученые из России. Мы надеемся, что эта работа заложила начало нового направления нелинейной топологической фотоники», – отметил Юрий Кившарь, соруководитель Центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО, профессор Австралийского национального университета.

Александр Поддубный
Александр Поддубный

«Наша работа показала, что неожиданные яркие оптические свойства могут проявляться даже в таких относительно простых структурах, как зигзаг. Так,  наблюдаемое излучение может переключаться с одного края на противоположный в зависимости от направления освещения цепочки: со стороны подложки или со стороны воздуха. Такую асимметричную генерацию можно в перспективе использовать для создания наноразмерных невзаимных оптических устройств – оптического диода и транзистора», – добавил Александр Поддубный, исследователь Лаборатории метаматериалов Университета ИТМО.

Статья: Nonlinear light generation in topological nanostructures. Sergey Kruk et al. Nature Nanotechnology, 17th December, 2018.