16
Календарь конференций
  • 13 декабря – 13 февраля

    XXIX Московская открытая олимпиада школьников по геологии 2021-2022 года

  • 15 декабря – 5 апреля

    Универсиада «Ломоносов» по направлению подготовки «Химия, физика и механика материалов» Факультета наук о материалах МГУ

  • 20 декабря – 20 марта

    Международный архитектурный конкурс The Ideal Village

  • 27 января – 1 февраля

    Всероссийская зимняя школа научного перевода для студентов социально-гуманитарного профиля «Перевод в науке – наука в переводе»

  • 27 – 28 января

    5-ая Международная переводческая научно-практическая конференция COSINES Pi по устному и письменному переводу

  • 27 января – 1 февраля

    Всероссийская зимняя школа научного перевода для студентов социально-гуманитарного профиля «Перевод в науке – наука в переводе»

  • 4 – 5 февраля

    Всероссийская научная конференция «Философия перед лицом новых цивилизационных вызовов», приуроченная к 80-летнему юбилею воссоздания философского факультета в структуре Московского университета.

  • 13 декабря – 13 февраля

    XXIX Московская открытая олимпиада школьников по геологии 2021-2022 года

  • 21 – 22 февраля

    XVI Международная научная конференция «Сорокинские чтения» Искусственный интеллект и общественное развитие: новые возможности и преграды

  • 2 апреля

    Ежегодный Фестиваль школьных средств массовой информации на факультете журналистики МГУ

  • 15 декабря – 5 апреля

    Универсиада «Ломоносов» по направлению подготовки «Химия, физика и механика материалов» Факультета наук о материалах МГУ

  • 26 – 27 мая

    «Уголовное право в системе межотраслевых связей: проблемы теории и правоприменения»

Все конференции
Программы дополни-
тельного образования
Проект «Вернадский»
«Университет без границ»
Олимпиады школьников и универсиады в МГУ
Конкурсы на замещение должностей научных и педагогических работников
Программы поддержки талантливой молодежи
Единая поисковая система по зарубежным базам данных
21/08/15

«Волшебный» шарик для передачи информации

Пройдет время, и лет через десять-двадцать, может быть скорее (а, может, и вообще никогда) человечество откажется от электронов, а в качестве основной «рабочей лошадки» в своих компьютерах, наноантеннах и прочих подобных устройствах начнёт 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 опубликовали в последнем номере журнала Scientific Reports (http://dx.doi.org/10.1038/srep12288), входящего в высокопрестижную группу журналов Nature Publishing Group.

Электронный компьютер начинает себя исчерпывать. Если на протяжении сорока лет закон Мура, согласно которому скорость работы компьютеров удваивается каждые 18 месяцев, выполнялся за счет роста скорости вычислений, производимых одним процессором, то теперь это достигается за счет распараллеливания вычислений – появились двухъядерные, а потом четырехъядерные бытовые компьютеры. Это означает, что один процессор с требуемой скоростью уже не справляется, а увеличить ее не удается – скорость работы процессоров современных бытовых компьютеров уже близка к своему теоретическому пределу.

Следует ожидать дальнейшего умножения ядер, однако этот процесс не бесконечен, и насыщение, судя по всему, наступит довольно скоро. 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. Задачи субволновой оптики – манипулировать излучением на масштабах, меньших длины волны, то есть делать то, что в традиционной оптике линз и зеркал считалось принципиально невозможным.

До недавнего времени много надежд в субволновой оптике возлагалось на эффекты, связанные с взаимодействием света и коллективных колебаний газа свободных электроннов в металлах (так называемых плазмонов). Для металлических частиц с размером порядка десяти нанометров собственные частоты колебаний этого газа лежат в оптическом диапазоне. Поэтому, если изготовить металлическую частицу размером в десяток нанометров и облучить ее электромагнитной волной, частота которой совпадает с одной из собственных плазмонных частот, то возникнет резонанс.

При этом частица начинает действовать как воронка, которая «всасывает» энергию электромагнитной волны из окружающего эту частицу пространства и преобразует ее в энергию колебаний электронного газа. Это явление может сопровождаться целым рядом очень интересных эффектов, которые и попытались использовать.

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.

Михаил Трибельский во время недавнего визита в Японию, где он в свое время провел около 10 лет. Источник: Архив М.Трибельского

Поэтому в последние годы интересы исследователей переключились на диэлектрики с большим коэффициентом преломления. Свободных электронов там нет, все они связаны со своими атомами, поэтому под воздействием света там не могут возникать токи проводимости. Однако электромагнитная волна действует на электроны внутри каждого атома, смещая их из положения равновесия. В результате атом приобретает наведенный электрический момент. Такое явление называется поляризацией. Чем более способен атом поляризоваться под действием электромагнитной волны, тем выше показатель преломления у соответствующего вещества. 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, но с 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».

Такпоявиласьработа Tribel’skii, M. I. Resonant scattering of light by small particles, Sov. Phys. JETP 59, 534 (1984). Но в 1984 году это мало кому было интересно – нанотехнологий еще и в помине не было. Первая ссылка на эту статью Трибельского появилась в 2004 г. – ровно через двадцать лет после ее опубликования. Сегодня же открытое им рассеяние широко признано и носит название "аномального". Однако и здесь мы сталкиваемся с роковой ролью диссипативных процессов. Чтобы наблюдать аномальное рассеяние, нужны металлы с очень малым электрическим сопротивлением на оптических частотах.

Естественной вопрос, который возникает в этой ситуации: можно ли, воспользовавшись малостью затухания, увидеть на диэлектрическом щарике из материала с большим показателем преломления то, что из-за большого затухания нельзя наблюдать при поляритонных резонансах в металлах?

Поиски ответа на этот вопрос и привели к совместной работе лаборатории профессора Михаила Трибельского (физический факультет МГУ) с коллегами из Франции и Испании. 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.

Такие размеры имеют шарики, с которыми проводились эксперименты. Источник: МГУ им. М.В.Ломоносова

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».

Из центра шарика, на который падает электромагнитная волна, проведем линию в произвольном направлении. Вдоль этой линии отложим отрезок, длина которого равна интенсивности излучения, рассеянного шариком в этом направлении. Получится точка в 3-мерном пространстве. Если теперь заставить нашу линию, оббежать все возможные направления, то совокупность таких точек образует поверхность. Эта поверхность легко позволяет определить интенсивность излучения, рассеянного в любом направлении. Вот такие поверхности и представлены на рисунке. Параметр q пропорционален частоте падающей волны. Видно, что малые изменения q приводят к радикальной перестройке направленности рассеянного излучения. Источник: Tribelsky et al., Scientific Reports

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.

Наука и технологии России — STRF.ru