Ultraschnelles optisches Schalten wird in Galliumarsenid-Metamaterial implementiert • Tatiana Dolgova • Wissenschaftsnachrichten zu "Elementen" • Optik, Physik, Nanotechnologie

Im Metamaterial von Galliumarsenid wurde ultraschnelles optisches Schalten implementiert

Abb. 1. Schema der Meta-Oberfläche von Galliumarsenid-Nanodisks. "Border = 0>

Abb. 1. Das Schema der Meta-Oberfläche von Galliumarsenid-Nanodisks. Bild aus dem Artikel in der DiskussionNaturkommunikationen

Forscher der Moskauer Staatlichen Universität, die nach MV Lomonosov in Zusammenarbeit mit Kollegen aus den Vereinigten Staaten und Deutschland benannt wurde, demonstrierten experimentell die Wirkung von ultraschnellem optischen Schalten in Metamaterialien. Das Experiment wurde mit Femtosekunden-Pulslasern und einem nanostrukturierten Medium aus Galliumarsenidhalbleiter durchgeführt. Der detektierte Effekt kann in schnellen Berechnungen als eine der Methoden zur ultraschnellen Steuerung von Licht auf Nano-Skalen verwendet werden.

Das Problem der Lichtsteuerung auf Nanoebene und das Problem der Konstruktion optischer Bilder mit einer höheren Auflösung als der Wellenlänge interessieren die Forscher sowohl vom fundamentalen Standpunkt (Überwindung der Beugungsgrenze) als auch von einem angewandten (Superauflösung, Erzeugung optischer Chips; siehe Photonische integrierte Schaltung). Das Wissensfeld, das diesen Aufgaben gewidmet ist, heißt Nanophotonik.

Die theoretische Möglichkeit vieler interessanter optischer Effekte auf Subwellenskalen ist seit längerer Zeit gezeigt worden.Ein anderer Lord Rayleigh bemerkte, dass die Streuung von Licht in kleine Partikel aus Wasser und Staub, die in der Atmosphäre schweben, dem Himmel die blaue Farbe verleiht. Nachdem Gustav Mie die Theorie der Lichtstreuung durch Mikro- und Nanopartikel entwickelt hatte, wurde es möglich, Metamaterialien und Meta-Oberflächen – künstliche nanostrukturierte Medien mit geordneten Teilchen – zu erzeugen, die eine bestimmte optische Reaktion ermöglichen, also die Fähigkeit Licht zu transformieren (reflektieren, brechen, fokussieren).

Seitdem wurde wiederholt gezeigt, dass Materialien, die im Nanometerbereich strukturiert sind, optische Eigenschaften haben, die sich qualitativ von den Eigenschaften des Materials unterscheiden, aus dem sie hergestellt wurden. Durch Steuern der Phase der Lichtwelle auf Submikroskopen ist es möglich, solche Effekte wie negativen Brechungsindex (wenn der Brechungswinkel dem Snell'schen Gesetz folgt und in einem dichteren Medium zunimmt), Superfokussierung (wenn die Beugungsfokussierungsgrenze überwunden werden kann) und andere zu beobachten. Vor allem Veselagos "Superlinse" – ein flaches nanostrukturiertes Medium – erlaubt es, die Beugungsgrenze zu überwinden und das Licht in eine Region zu fokussieren, die weniger als die Hälfte seiner Wellenlänge beträgt.Das Superlens-Modell wurde 1967 vom sowjetischen Wissenschaftler Viktor Veselago konstruiert. In der Zukunft wurde die Idee vom englischen Theoretiker John Pendry aufgegriffen (siehe John Pendry, David Smith "Auf der Suche nach Superlinsen"). Der wirklich aktive Fortschritt der Nanophotonik begann in den letzten Jahren jedoch dank eines technologischen Durchbruchs bei den Möglichkeiten, Nanostrukturen mit einer gegebenen Geometrie und chemischen Zusammensetzung mit guter Genauigkeit herzustellen.

Solche Materialien sind empfindlich gegenüber Umwelteigenschaften: Sie können die Farbe abhängig von ihrer Zusammensetzung oder Temperatur ändern. Daher haben Metamaterialien ihre Anwendung in Biosensorik, Thermotherapie, Solarbatterien, Informationsspeicherung usw. gefunden. Insbesondere haben sich neue Photonenelemente – Vorrichtungen zur Steuerung von Licht auf Mikroskalen (zum Beispiel für zukünftige Anwendungen in schnellen Berechnungen) entwickelt.

Das Problem optischer Metamaterialien besteht darin, dass ihre optischen Eigenschaften nicht neu geordnet werden können. Für viele Bedürfnisse werden kontrollierte Metamaterialien benötigt, deren Eigenschaften nach der Herstellung durch elektrische oder magnetische Felder verändert werden können.Und für schnelle Berechnungen müssen sich die Eigenschaften von Metamaterialien auch unter äußeren Einflüssen extrem schnell ändern.

Eine dieser superschnellen Änderungen wurde kürzlich von Wissenschaftlern der Moskauer Staatlichen Universität, die nach MV Lomonosov benannt wurde, zusammen mit Kollegen aus den USA und Deutschland entdeckt. In den Metamaterialien von Galliumarsenid wird ultraschnelles Lichtschalten realisiert. Wir sprechen über die Methode der ultraschnellen Pump-Probe-Messungen (Pump-Probe, siehe Attoseconds: 3. Wie man ein Atom schneidet), die zwei Laserpulse von mehreren zehn Femtosekunden Dauer verwendet. Durch seine Logik ähnelt das Verfahren dem Betrieb eines elektronischen Transistors, bei dem das Anlegen einer Spannung an die Basis den Strom durch den Transistor ändert. Der erste Puls ändert die optischen Eigenschaften des Mediums: Er kann ihn schnell erwärmen und dadurch den Reflexionskoeffizienten des Lichts aus dem Medium verändern. Der zweite Impuls wechselwirkt anders mit dem veränderten Medium als mit dem kalten: er reflektiert weniger oder stärker. Dann kehrt das Material in einigen Picosekunden in seinen ursprünglichen Zustand zurück.

Die Idee selbst ist bei weitem nicht neu. Die Technik wurde wiederholt auf viele verschiedene Materialien angewendet.In den meisten Fällen ändern sich die Eigenschaften eines Materials jedoch nicht stark genug um einige Prozent, und um ein logisches Umschalten zu implementieren (eine logische "Null" auf "Eins" umzustellen), müssen Sie einige der Koeffizienten – Reflexion, Brechung oder Absorption – mindestens zweimal ändern.

Um die Schaltwirkung zu erhöhen, wäre es natürlich, Halbleiter zu verwenden, in denen das Licht (Laserimpuls) freie Stromträger (Elektronen) erzeugen kann, die vor der Anregung mit dem Gitter verbunden waren. In diesem Fall wird ein Halbleiter für eine kurze Zeit zu einem Metall, was für die Optik ein qualitativer Unterschied ist: Elektronen, die in einem Metall frei und in einem Dielektrikum verbunden sind, reagieren unterschiedlich auf ein elektrisches Wechselfeld einer Lichtwelle. Ein Stück Metall ist wie ein Spiegel, und ein Stück Plastik ist eher langweilig.

Historisch gesehen haben die meisten Forscher mit Silizium gearbeitet und die Idee der Integration von Siliziumelektronik und Photonik entwickelt. Silizium ist jedoch ein sogenannter indirekter-Spalt-Halbleiter, bei dem die Erzeugung freier Elektronen durch die Nah-Infrarot-Strahlung eine Änderung des Impulses dieser Elektronen erfordert, um das Gesetz der Impulserhaltung zu erfüllen.Daher ist die optische Erzeugung von Trägern in Silizium nicht so effektiv. Galliumarsenid ist ein Halbleiter mit einer direkten Lücke, die optische Erzeugung von Ladungsträgern ist viel effizienter, aber für praktische Anwendungen immer noch nicht ausreichend.

Für die ultraschnelle Lichtsteuerung wurde in dieser Arbeit das Konzept der Meta-Oberflächen aus einem Halbleiter mit direkter Bandlücke verwendet. Die Größe der Galliumarsenid-Nanodisks (Fig. 1) ist so gewählt, dass darin Licht der gewünschten Wellenlänge wirksam verzögert wird, was den Anschein einer stehenden Welle erzeugt. In Abb. 2 zeigt eine solche Resonanzerhöhung des elektromagnetischen Feldes innerhalb der internen Scheibe (numerische Berechnung).

Abb. 2 Verstärkung des elektromagnetischen Feldes einer Lichtwelle in einer Galliumarsenid-Nanodisk (numerische Berechnung). Bild aus dem Artikel in der DiskussionNaturkommunikationen

Um dies zu erreichen, ist zusätzlich zu der richtigen Größe ein großer Kontrast zwischen dem Brechungsindex der Scheibe und den umgebenden Materialien erforderlich. Mit einem kleinen Unterschied in den Brechungsindizes der Materie und der Umgebung wird die Reflexion schwach sein, der optische Resonator wird nicht funktionieren. Das ist leicht zu verstehen, wenn Sie ein Stück Glas ins Wasser tauchen.In diesem Fall "bemerkt" das Licht die Grenzen zwischen Wasser und Glas praktisch nicht: Wir sehen kein Glas, da die Brechungsindizes von Wasser und Glas nahe sind und der Reflexionskoeffizient in diesem Fall klein ist. Für einen guten optischen Kontrast zwischen Galliumarsenid und der Umgebung werden zusätzliche "Pads" aus dielektrischem AlGaO und SiO verwendet.xDaher ist die Struktur vielschichtig. In diesem Metamaterial hat der Reflexionskoeffizient von Licht einen resonanten Charakter, das heißt, er nimmt nahe der Resonanzwellenlänge zu (schematisch durch die blaue Linie in 3 gezeigt).

Abb. 3 Eine schematische Erklärung des Superfast-Schalt-Effekts. Figurautor

Die Position der Resonanzwellenlänge ist sehr empfindlich für den Brechungsindex des Nanodisc-Materials. Wenn wir es mit einem Laserpuls ändern, verschiebt sich die Resonanzkurve um einen Betrag, der mit der Breite dieser Resonanz vergleichbar ist (rote Kurve). Die Wirkung einer hochwertigen Umschaltung des Reflexionskoeffizienten ist nun deutlich sichtbar. Für die ausgewählte Lichtwellenlänge von 1000 nm (gestrichelte Linie in Fig. 3) änderte sich der Reflexionskoeffizient von fast eins auf fast Null.In einem realen Experiment war es möglich, den Reflexionskoeffizienten um mehr als das Doppelte in 1 Picosekunde zu reduzieren, das System kehrte in 6 Pikosekunden in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Und vor allem für praktische Anwendungen wurde aufgrund der Resonanzverstärkung des optischen Feldes innerhalb des Halbleiters ein Schalten mit einer Pulsenergiedichte von nur 380 mJ / cm erreicht2. In der Pump-Sensor-Technik ist dies eine sehr kleine Menge, um solche starken Effekte zu erzeugen.

Das Ergebnis der Arbeit eröffnet spannende neue Aufgaben und eröffnet praktische Anwendungen, etwa die Untersuchung ultraschneller Änderungen anderer Eigenschaften des optischen Feldes – zum Beispiel der Strahlungsrichtung, der Phasen seiner Front, des Einflusses der Umgebung (für Biosensorik) und natürlich schneller optischer Berechnungen in einem Photonencomputer. Elektronische Prozessoren haben mit Hilfe der 14-Nanometer-Technologie ausreichend hohe Frequenzen erreicht, das heißt Geschwindigkeit. Mit solchen Abmessungen des minimalen Elements sind die sie verbindenden Leiter jedoch zu einem Engpass geworden, da sie sehr dünn sein müssen, während ihr Widerstand gegenüber elektrischem Strom hoch ist, was wiederum die Durchgangszeit dieses Stroms proportional zu dem Widerstand erhöht.Tatsächlich ist die Grundfrequenzgrenze des elektronischen Prozessors bereits erreicht.

Um die Geschwindigkeitsbegrenzungen von Prozessoren zu überwinden, werden konzeptionell neue Ideen vorgeschlagen, wie zum Beispiel das Quantencomputer (siehe Quantencomputer) oder ein Photon-Computer. In Photon-Computern wird versucht, die Datenverarbeitung und den Datentransfer zu beschleunigen, indem Licht anstelle von Elektronen in allen funktionellen Teilen des Geräts – dem Prozessor, dem Datenübertragungsbus, dem Speicher – verwendet wird.

Es hat sich jedoch herausgestellt, dass es nicht ausreicht, einzelne Computerfunktionen von Elektron zu Photon zu ersetzen, da die Umwandlung eines elektronischen Signals in ein Photon selbst und zurück stark begrenzt ist. Um einen qualitativen Sprung zu machen, müssen wir sofort alle funktionalen Teile des Computers ersetzen – die Datenübertragung, den Speicher, den Prozessor. Und wenn das Problem des Übertragens von Daten über eine optische Faser lange und erfolgreich gelöst wurde, dann erfordert das Problem des optischen Rechnens das Auffinden neuer fundamentaler physikalischer Effekte, die die Basis eines optischen Transistors bilden können. Einer dieser Effekte war der entdeckte Effekt des ultraschnellen optischen Schaltens in der Meta-Oberfläche von Galliumarsenid.

Quelle: Maxim Shcherbakov, Sheng Liu, Warwara V. Zubyuk, Aleksandr Vaskin, Polina P.Vabischtschewitsch, Gordon Keeler, Thomas Pertsch, Tatjana V. Dolgowa, Isabelle Staude, Igal Brener & Andrey A. Fedyanin. Ultraschnelles, volloptisches Tuning von Halbleiter-Metasurfaces mit direktem Abstand // Naturkommunikationen. 2017. V. 8. Artikelnummer: 17. DOI: 10.1038 / s41467-017-00019-3.

Tatjana Dolgowa


Like this post? Please share to your friends:
Schreibe einen Kommentar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: