Nano-optică
Această intrare sau secțiune despre optică nu citează sursele necesare sau cei prezenți sunt insuficienți . |
Nano-optica , sau nanofotonica , este o ramură a opticii care studiază interacțiunea dintre lumină și materialele structurate la nanoscală. Nano-optica include optică integrată și, în special, fotonica și plasmonica din siliciu .
Contrar numelui, dispozitivele nano-optice sunt adesea în ordinea unui micrometru sau mai mult, dar proprietățile lor depind de detalii la scări mai mici. Exemple de astfel de dispozitive includ microscoape optice de scanare în câmp apropiat sau SNOM-uri, microscopuri de tunelare cu scanare foto-asistată , modulatori electro-optici , fotodiode , ghiduri d. Unde optice și cristale fotonice .
Microscopie
Microscopia tradițională folosește elemente de difracție pentru a focaliza lumina pentru a crește strâns rezoluția. Dar, datorită limitei de difracție (cunoscută și sub numele de criteriul lui Rayleigh), lumina de propagare poate fi concentrată într-un punct cu un diametru minim de aproximativ jumătate din lungimea de undă a luminii. Astfel, chiar și cu microscopia confocală limitată la difracție, rezoluția maximă realizabilă este de ordinul a câteva sute de nanometri. Comunitățile științifice și industriale sunt din ce în ce mai interesate de caracterizarea materialelor și fenomenelor pe o scară de câțiva nanometri, prin urmare trebuie utilizate tehnici alternative. Scanning Probe Microscopy (SPM) folosește o „sondă”, (de obicei o deschidere mică sau un vârf super-ascuțit), care excită local o probă sau transmite informații, din nou local, dintr-o probă colectată și analizată.
Interacțiunea luminii cu o structură ascuțită poate duce la limitarea luminii la scări mai mici decât lungimea de undă. Regiunea în care lumina este concentrată se numește regiunea optică a câmpului apropiat . Acest efect este oarecum analog unui paratrăsnet, unde câmpul este concentrat la vârf. În această regiune, câmpul poate fi necesar pentru a regla topografia nanostructurii (vezi condițiile limită ale ecuațiilor lui Maxwell ). Aceasta înseamnă că câmpul electromagnetic va depinde de mărimea și forma nanostructurii cu care interacționează lumina.
Acest câmp apropiat optic poate fi, de asemenea, descris ca o oscilație optică limitată la suprafață, care poate varia pe o scară de lungime de zeci sau sute de nanometri - o scală mai scurtă decât lungimea de undă a luminii primite. Acest lucru poate oferi o rezoluție spațială mai mare dincolo de limitele impuse de legea difracției în microscopia convențională cu câmp îndepărtat. Tehnica derivată din acest efect este cunoscută sub numele de microscopie în câmpul apropiat și deschide multe posibilități noi pentru imagini la scară nanomatică și spectroscopie. O nouă realizare care are rezoluție picometrică în planul vertical deasupra suprafeței ghidului de undă este interferometria cu polarizare dublă .
Nanofotonica sau optică integrată
Un circuit optic integrat constă dintr-un sistem care combină două sau mai multe dispozitive optice pentru a realiza o funcționalitate complexă similară cu ceea ce se întâmplă în circuitele integrate electrice. Studiul opticii integrate are potențialul de a revoluționa sectorul telecomunicațiilor (telecom), comunicațiile în centrele de procesare a datelor (datacom) și în cadrul computerelor (computercom). De fapt, optica integrată poate oferi dispozitive fără interferențe, putere redusă, cost redus și viteză mare. [1]
În martie 2010, S. Assefa și colab. de la IBM a arătat invenția fotodetectoarelor de avalanșă nanofotonice ultrarapide, fără zgomot, care sunt gata pentru epoca circuitului optic exaflop. [2] [3] [4] „Lucrăm pentru a integra toate dispozitivele noastre pe un microprocesor alături de tranzistoare. [5] Realizarea fotodetectorului pentru avalanșă, care este cea mai recentă dintr-o serie de rapoarte de cercetare anterioare ale IBM este ultima piesă a puzzle-ului care finalizează dezvoltarea „cutiei de instrumente nanofotonice” a dispozitivelor necesare pentru a construi interconectări (interconexiuni) pe cip. [3] Cu comunicații optice încorporate în cipurile procesorului, posibilitatea creșterii puterii și a sisteme de calcul eficiente cu performanță exaflop s-ar putea întâmpla într-un viitor nu prea îndepărtat ". [3]
În decembrie 2015, a fost creat primul microprocesor cu intrare / ieșire optică. [6]
Componentele unui sistem nanofotonic
Sisteme coloidale
Noile proprietăți optice ale materialelor pot rezulta din dimensiunea lor extrem de mică. Un exemplu tipic al acestui tip de efect este schimbarea culorii asociată cu aurul coloidal .
Spre deosebire de aurul vrac , care este cunoscut pentru culoarea sa galbenă, particulele de aur variind de la 10 la 100 nm prezintă o culoare roșie vibrantă. Dimensiunea critică în care au loc aceste efecte și efecte conexe este legată de calea liberă a mediului electronilor conductori ai metalului.
În plus față de aceste efecte de dimensiune extrinsecă care determină răspunsul optic al unui material la lumina primită, proprietățile intrinseci ale materialului se pot schimba. Aceste efecte de dimensiune apar pe măsură ce particulele devin și mai mici. În acest moment, unele dintre proprietățile electronice intrinseci ale mediului în sine se schimbă. Un exemplu al acestui fenomen apare în nanostructurile semiconductoare în care dimensiunea mică a particulelor limitează funcția de undă a mecanicii cuantice , ducând la tranziții optice discrete, de exemplu, la culori de fluorescență care depind de dimensiunea particulelor. Schimbarea decalajului de bandă semiconductoare este motivul acestei schimbări de culoare. Cu toate acestea, acest efect, deoarece nu este direct legat de lungimea de undă optică, nu este inclus în unanimitate când vine vorba de nano-optică.
Notă
- ^ Lorenzo Pavesi și David J. Lockwood (eds), Silicon Photonics III , Springer, 2016, DOI : 10.1007 / 978-3-642-10503-6 .
- ^ (EN) Solomon Assefa, Fengnian Xia; Yurii A. Vlasov, Reinventarea germaniului avalanșă fotodetector pentru interconectări optice nanofotonice on-chip , în Nature , vol. 464, 2010, p. 80, DOI : 10.1038 / nature08813 .
- ^ a b c ( EN ) Research Discovery By Ethiopian Scientist La IBM la Tadias Magazine , pe tadias.com . Adus la 15 martie 2010 ( arhivat la 2 iunie 2011) .
- ^ (EN) IBM Research | IBM Research | Silicon Integrated Nanophotonics , la domino.research.ibm.com . Adus la 15 martie 2010 ( arhivat la 9 august 2009) .
- ^ Fotodetectorul pentru avalanșă bate recordul de viteză , pe physicsworld.com . Adus la 15 martie 2010 (arhivat din original la 8 martie 2010) .
- ^ (EN) Chen Sun, și colab., Microprocesor cu un singur cip care comunică direct folosind lumina , în Nature, vol. 528, 2015, p. 534, DOI : 10.1038 / nature16454 .
Elemente conexe
linkuri externe
- (EN) Cornell Nanophotonics Group , pe nanophotonics.ece.cornell.edu.
- ( EN ) Platforma de nanostructurare ePIXnet pentru integrare fotonică , pe nanophotonics.eu . Adus la 14 noiembrie 2019 (arhivat din original la 14 iunie 2013) .
- ( EN ) Cambridge University Nanophotonics Center , la www-nanophotonics.phy.cam.ac.uk . Adus la 19 aprilie 2010 (arhivat din original la 11 iulie 2008) .
- ( EN ) Transport de masă indus optic în câmpuri apropiate ( PDF ), pe witec.de . Adus la 19 aprilie 2010 (arhivat din original la 19 iulie 2011) .
- ( EN ) Cercetare la DTU Fotonik , pe fotonik.dtu.dk .
- ( RO ) „Descoperire fotonică pentru jetoane de siliciu: Lumina poate exercita suficientă forță pentru a răsturna întrerupătoarele de pe un cip de siliciu”, de Hong X. Tang, IEEE Spectrum, octombrie 2009 , pe spectru.ieee.org . Adus la 19 aprilie 2010 (arhivat din original la 19 octombrie 2009) .
Reviste de fotonică
- ( EN ) Journal of Nanophotonics [ link rupt ] , pe spiedl.aip.org .
- (EN) Electro Optics , pe electrooptics.com.
- (EN) Nature Photonics pe nature.com.
- (EN) Nature Nanotechnology pe nature.com.
- ( EN ) Optics & Photonics Focus , pe opfocus.org .
- ( EN ) Știri despre fotonică , pe photonics.com .
