En varios años, tal vez en una o dos décadas, pero tal vez antes o nunca, uno de los problemas existentes se resolverá de manera original: nuestras computadoras, nanoantenas y otros tipos de equipos funcionarán sobre la base de fotones, en lugar de electrones. Incluso ahora estamos prácticamente preparados para lograr este cambio. Si sucede, las esferas estudiadas por un grupo internacional de científicos rusos, franceses y españoles definitivamente podrán convertirse en uno de los componentes elementales de los nuevos dispositivos fotónicos.Los resultados del estudio se publicaron en el último número de Informes científicos que forma parte del Nature Publishing Group.
Las potencialidades de las computadoras electrónicas convencionales se van a agotar. Durante las últimas cuatro décadas, la ley de Moore según la cual la velocidad del procesador de la computadora se duplica cada 18 meses se cumplió debido al aumento de la frecuencia de operación de un solo procesador.Se obtiene el mismo resultado por medio de la computación paralela: tenemos procesadores de doble núcleo y de cuatro núcleos, lo que significa que los procesadores de un solo núcleo no pueden hacer frente a la velocidad de cómputo requerida; además, no es posiblepara aumentar esta velocidad porque la frecuencia de funcionamiento del procesador de las computadoras modernas está cerca del límite teórico. El proceso de multiplicar el número de núcleos tampoco es interminable: en todos los sentidos, pronto llegará al final. Es por eso que muchos equipos de investigación todosen todo el mundo están trabajando en la creación de sistemas ópticos súper rápidos, que podrían reemplazar las computadoras electrónicas.
Por un lado, tales sistemas deberían ser lo más pequeños posible. Por otro lado, la radiación óptica tiene su propia escala: la longitud de onda en el rango visible del espectro es de aproximadamente 0,5 micrómetros. Esta escala es demasiado grandepara ser implementado en dispositivos electrónicos modernos con una disposición ultradensa de elementos. Para competir con tales dispositivos electrónicos, los sistemas ópticos deberían trabajar en escalas mucho más cortas que las longitudes de onda. Estos problemas caen dentro del dominio de la disciplina moderna, llamada óptica de sub ondas de onda.El objetivo de la óptica de longitud de onda inferior es manipular con radiación electromagnética en escalas más cortas que su longitud de onda; en otras palabras, hacer las cosas, que se consideraban conceptualmente imposibles en la óptica tradicional de lentes y espejos.
Hasta hace poco, la óptica de longitud de onda inferior tenía grandes esperanzas en los efectos relacionados con las interacciones de la luz con los llamados plasmones, oscilaciones colectivas de gas de electrones libres en metales. En el caso de partículas metálicas con tamaños de aproximadamente 10 nm, las frecuencias delas oscilaciones del gas de electrones libres caen dentro del rango de la banda óptica. Si dicha partícula se irradia con una onda electromagnética, cuya frecuencia es igual a una de las frecuencias de oscilación del plasmón de la partícula, se produce una resonancia. En la resonancia, la partícula actúacomo un embudo, que "agarra" la energía de la onda electromagnética del entorno externo y la convierte en la energía de las oscilaciones electrónicas del gas. Este proceso puede ir acompañado de una amplia gama de efectos muy interesantes que, en principio, podrían emplearse envarias aplicaciones.
Desafortunadamente, la mejor parte de las expectativas relacionadas con los plasmónicos no se ha justificado. El hecho es que incluso los conductores eléctricos muy buenos por ejemplo, cobre o platino exhiben una gran resistencia eléctrica cuando la frecuencia de la corriente eléctrica se vuelvemismo orden de magnitud que el de la luz visible. Por lo tanto, por regla general, las oscilaciones del plasmón están fuertemente amortiguadas y la amortiguación mata los efectos útiles que podrían utilizarse.
Es por eso que recientemente, los científicos prestaron atención a los materiales dieléctricos con alto índice de refracción. No hay electrones libres en estos materiales porque todos están conectados con sus átomos; y el impacto de la luz no induce corriente de conducción. Al mismo tiempotiempo, la onda electromagnética afecta a los electrones dentro del átomo y los desplaza de las posiciones de equilibrio. Como resultado, los átomos adquieren un momento eléctrico inducido; este proceso se llama "polarización". Cuanto mayor es el grado de polarización, mayor es el índice de refracción deel material es. Resultó que cuando una esfera hecha de un material con alto índice de refracción interactúa con la luz, el resultado de esta interacción se parece en gran medida a la resonancia plasmónica descrita anteriormente en metales con una excepción pero muy importante:Una amplia gama de materiales dieléctricos, a diferencia de los metales, tienen una amortiguación débil en las frecuencias ópticas. A menudo usamos esta propiedad de los dieléctricos en nuestra vida cotidiana.por ejemplo, la amortiguación débil en las frecuencias ópticas es la clave para la transparencia del vidrio.
El trabajo anterior del profesor Michael Tribelsky Mikhail Tribel'skii, la Facultad de Física, la Universidad Estatal MV Lomonosov de Moscú y la Universidad Estatal de Tecnologías de la Información, Radioingeniería y Electrónica de Moscú MIREA, dieron el impulso inicial a la investigación descrita anteriormente.dice: "Si usamos el lenguaje de la física cuántica mientras hablamos de la excitación del plasmón, podemos decir que un cuántico de luz, el fotón se convierte en un cuántico de oscilaciones de plasmón. A mediados de los 80 tuve la siguiente idea: ya que todoslos procesos en mecánica cuántica son reversibles, el proceso invertido de la conversión de plasmón a fotón también debería existir. Luego, llegué a la conclusión de que existe un nuevo tipo de dispersión de luz. Este fue el caso. Además, ocurrió que estoEl nuevo tipo de dispersión de luz tiene muy poco en común con lo descrito en todos los libros de texto de dispersión de Rayleigh. "Como resultado, el papel" Dispersión resonante de la luz por partículas pequeñas ", Tribel'skii MI, Sov. Phys . JETP 59 [2], 534 1984: http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_059_03_0534.pdf salió. Sin embargo, en 1984 este trabajo no pudo atraer la atención decientíficos, porque las nanotecnologías aún no existían. La primera cita de este artículo ocurrió en 2004, exactamente 20 años después de su publicación. Hoy en día, este tipo de dispersión, denominada "anómalo", es ampliamente reconocido. Desafortunadamente, incluso en el caso deLa dispersión anómala, una vez más, enfrentamos el papel fatal de la disipación. Para observar la dispersión anómala es necesario utilizar metales con amortiguación muy débil a frecuencias ópticas.
La pregunta muy natural en este caso es: si aprovechamos la amortiguación débil de los dieléctricos, ¿la esfera hecha de materiales dieléctricos con alto índice de refracción podrá demostrar los efectos que no se pueden observar en el caso de las resonancias de plasmones?en metales con fuerte amortiguación? Para responder a la pregunta, el laboratorio del profesor Tribelsky Facultad de Física, Universidad Estatal MV Lomonosov de Moscú inició una investigación conjunta con colegas franceses y españoles. Los científicos experimentaron con una esfera dieléctrica con un diámetro de aproximadamente 2 cm,hecho de cerámica especial y "enseñado" a redirigir las ondas electromagnéticas incidentes de la manera deseada. Además, la direccionalidad de la dispersión puede controlarse y cambiarse dramáticamente simplemente ajustando la frecuencia de la onda incidente.
Según la explicación de Tribelsky, esta esfera tiene líneas de resonancia bastante estrechas relacionadas con sus oscilaciones de polarización. En cierto sentido, es bastante análoga a una esfera de metal, que tiene las frecuencias de resonancia relacionadas con las oscilaciones del gas de electrones libre. Cada líneacorresponde a la excitación de un modo de oscilación particular, llamado armónicos o modos parciales. Cada armónico se caracteriza por una dependencia fija entre la intensidad de dispersión y el ángulo de dispersión. Esta dependencia está determinada por la naturaleza de un armónico dado. El campo de dispersión total de la esferaes una suma de las contribuciones de cada armónico onda parcial. Las ondas parciales interfieren entre sí. El ancho estrecho de estas líneas permite excitar modos parciales selectivamente y controlar la interferencia. Esto, a su vez, permite redirigir la radiación incidente enuna forma deseada. ¡Eso es! Se logra la manipulación controlada con la radiación.
Sin embargo, ¿por qué hablamos de nanoescalas si el diámetro de la esfera es de aproximadamente 2 cm? Ese es el punto. El profesor Tribelsky dice: "Puedo hablar libremente sobre la belleza experimental de este trabajo ya que soy un teórico. Simplementeparticipé en la planificación del experimento, mientras que mis colegas franceses realizaron todo el difícil trabajo experimental. En cuanto a la belleza experimental de este trabajo, es en lo siguiente: con la ayuda de la radiación de microondas, similar a la utilizadaen un mini horno, hemos logrado simular a escala de un centímetro todos los procesos ocurridos en una nanoescala con la luz visible. Es ampliamente conocido: si tenemos dos objetos de la misma forma pero de diferentes tamaños y con la misma refraccióníndice, dispersarán las ondas electromagnéticas de la misma manera, siempre que la proporción de las dimensiones lineales de los objetos a la longitud de onda sea la misma para ambos objetos. Esta fue la idea de nuestros experimentos. Sin embargo, el camino desde la idea hasta los resultadosfue muy difficulto.Es suficiente decir que los investigadores lograron separar la señal deseada del fondo cuya amplitud a veces era 3000 veces mayor ! Que la de la señal ".
Teniendo en cuenta las posibles aplicaciones prácticas de los resultados obtenidos, es importante enfatizar que la técnica de fabricación de tales nanoesferas para la manipulación de radiación óptica e infrarroja cercana es bastante barata y simple. No requiere ningún material "exótico" y costoso, y / o equipos sofisticados. Además de las computadoras ópticas que, hoy en día, aún permanecen en la esfera de la realidad virtual, las esferas a nanoescala descritas en el documento por Tribelsky y sus coautores pueden utilizarse en una amplia gama de diferentes campos: telecomunicacionessistemas; registro, procesamiento y almacenamiento de información; diagnóstico y tratamiento de diferentes enfermedades, incluso oncológicas, etc.
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Materiales proporcionados por Universidad Estatal de Moscú Lomonosov . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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