«Волшебный» шарик для передачи информации

Профессор МГУ с зарубежными коллегами создал эффективный элемент для компьютеров будущего.

Пройдет время, и через сколько-то лет будет найдено более оригинальное решение существующей сегодня проблемы — и человечество откажется от электронов, а в качестве основной «рабочей лошадки» начнет в своих компьютерах, наноантеннах и прочих подобных устройствах использовать фотоны.

И если это произойдет, то шарики, предложенные международной группой ученых из России, Франции и Испании вполне могут стать одним из основных элементов для таких фотонных устройств. Сообщение о своем исследовании ученые уже опубликовали в последнем номере журнала Scientific Reports, входящего в высокопрестижную группу журналов Nature Publishing Group.

Электронный компьютер начинает себя исчерпывать, особенно что касается его скорости работы. Поэтому множество исследовательских групп по всему миру работают сейчас над созданием сверхбыстрых оптических систем, которые смогли бы заменить электронные схемы. Разумеется, желательно, чтобы такие системы имели возможно меньшие размеры.

С другой стороны, оптическое излучение обладает своим характерным масштабом — длиной волны, которая в видимой области составляет порядка 0,5 микрона. Для современных электронных устройств со сверхплотной упаковкой элементов это очень большой масштаб. Чтобы эффективно конкурировать с такими электронными системами, соответствующие оптические схемы должны быть работоспособными на масштабах много меньших длины волны. Эти проблемы относятся к области новой современной дисциплины, получившей название субволновой оптики.
До недавнего времени много надежд в субволновой оптике возлагалось на эффекты, связанные с взаимодействием света и коллективных колебаний газа свободных электронов в металлах (так называемых плазмонов). К сожалению, значительная часть надежд не оправдалась. Дело в том, что даже очень надежные проводники, такие как медь или платина, перестают хорошо проводить электрический ток, когда его частота соответствует частоте видимого света. В результате плазмонные колебания, как правило, сильно затухают. Вот это-то затухание и убивает те полезные эффекты, которые можно было бы использовать.

Поэтому в самые последние годы интересы исследователей переключились на диэлектрики. Но не просто на диэлектрики, а на диэлектрики с большим коэффициентом преломления. Оказалось, что взаимодействие со светом шарика, изготовленного из вещества с большим показателем преломления, во многих аспектах похоже на описанные выше явления плазмонного резонаса в металлах, с одним, но весьма важным исключением: в отличие от металлов многие диэлектрики на оптических частотах имеют малое затухание. Мы часто пользуемся этим их свойством в повседневной жизни (например, именно малостью затухания на оптических частотах обусловлена прозрачность стекол).

Начальный импульс исследованию, о котором идет речь, дала давняя работа профессора Михаила Трибельского (физический факультет МГУ и Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники МИРЭА).
«Если о возбуждении плазмона говорить на квантовом языке, — сообщает он, — то можно сказать, что фотон превращается в плазмон. В середине восьмидесятых мне пришла в голову мысль, что, поскольку в квантовой механике все процессы обратимы, то возможен и обратный процесс — плазмон может превратиться в фотон. В результате я пришел к выводу о существовании нового вида рассеяния света, к которому правила обычного — релеевского — рассеяния, описанного в школьных учебниках, уже неприменимы, и который, как выяснилось, обладает целым рядом весьма необычных свойств».
В результате в 1984 году появилась статья, подводящая итог работе. Правда, в то время это было мало кому интересно — нанотехнологий еще и в помине не было. Первая ссылка на эту работу Трибельского появилась в 2004 г. — ровно через двадцать лет после ее опубликования. Сегодня же открытое им рассеяние широко признано и носит название «аномального».
В последнее время сотрудникам лаборатории профессора Михаила Трибельского (физический факультет МГУ) совместно с коллегами из Франции и Испании удалось достичь ряда положительных результатов.
Экспериментируя с диэлектрическим шариком диаметром в два сантиметра, изготовленным из специальной керамики, его «научили» переизлучать направленное на него электромагнитное излучение в другом направлении, причем направление это можно существенно менять незначительным изменением частоты падающего излучения.

По словам Трибельского, такой шарик имеет сравнительно узкие резонансные линии, связанные с возбуждением колебаний его поляризации, аналогично тому, как металлический шарик имеет резонансные частоты, связанные с колебанием электронного газа. Каждая линия соответствует возбуждению определенного типа колебаний, называемых гармониками или парциальными модами. Каждая гармоника имеет фиксированную зависимость интенсивности рассеянного излучения от угла, под которым происходит рассеяние, определяемую только порядковым номером этой гармоники. Полное излучение, рассеиваемое шариком, есть сумма излучений всех гармоник (парциальных волн). Парциальные волны, складываясь, интерферируют друг с другом. То, что линии узкие, позволяет возбуждать парциальные моды селективно, управляя этой интерференцией. А это, в свою очередь, позволяет перераспределять падающее излучение в желаемом направлении. Вот, собственно, и все.

А где же здесь наномасштабы? Ведь шарик имеет диаметр 2 см! В том-то и дело. «Я могу смело говорить об экспериментальной красоте этой работы, поскольку я теоретик, — говорит Трибельский. — Я только принимал участие в планировании экспериментов, а всю трудную экспериментальную работу проделали мои коллеги во Франции. Так вот, экспериментальная красота этой работы в том, что явления, происходящие на наномасштабах в оптическом диапазоне, удалось смоделировать в сантиметровом диапазоне при помощи микроволнового излучения — того самого, которым разогревают суп в микроволновке. В оптике хорошо известно, что если есть два объекта одинаковой формы, но разного размера, с одним тем же коэффициентом преломления, и если на каждый из них падает электромагнитная волна, то они одинаково рассеивают ее при условии, что для каждого из объектов отношение его линейных размеров к длине волны излучения одно и то же. В этом и состояла идея эксперимента. Но путь от идеи до окончательных результатов был очень непрост. Достаточно сказать, что экспериментаторам удалось выделить полезный сигнал на фоне паразитного, амплитуда которого была в 3000 раз (!) больше полезного».

Важность полученных результатов с точки зрения их возможных практических применений состоит в том, что технология изготовления таких наношариков для их работы в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах относительно проста и не требует экзотических дорогостоящих материалов. Помимо оптических компьютеров, которые пока остаются в области виртуальной реальности, наношарики, подобные тем, что изучены в работе Трибельского и соавторов, могут быть использованы и в целом ряде других областей. Это и телекоммуникационные системы; и системы записи, обработки и хранения информации; и диагностика, а также лечение различных заболеваний, включая онкологические; и пр.