Сотрудники МГУ вместе с зарубежными исследователями создали устройство на основе кластера из четырех кремниевых наночастиц. Оно позволяет эффективно преобразовывать инфракрасное излучение в ультрафиолетовое, а также может управлять интенсивностью полученного сигнала. Новые устройства совместимы с элементной базой интегральной фотоники и микроэлектроники. Исследование опубликовано в журнале ACS Nano Letters.

Резонансные нанофотонные структуры находят применение в интегральных оптических технологиях. Они представляют интерес для применения в области цифровых технологий — в крупных дата-центрах, для мобильных сенсорных устройств, а также для аналоговых оптических сопроцессоров. Размер таких устройств с каждым годом уменьшается, а мощность увеличивается. Чтобы увеличить их быстродействие, необходимо разработать новые полупроводниковые структуры, которые используют свет вместо электронов для обработки информации. Ученые исследуют все более сложные геометрии наносистем, различные материалы и особенности возбуждающего излучения.

Российские исследователи показали, что для многократного увеличения генерации света можно использовать одиночные кремниевые наноантенны специально подобранной формы. В таких объектах при определенной поляризации возбуждающего излучения можно увидеть появление коллективных оптических эффектов — значительного увеличения концентрации электромагнитного поля в объеме структуры. Это, в свою очередь, приводит к более эффективным нелинейно-оптическим преобразованиям. Ранее российские исследователи уже наблюдали появление коллективных оптических эффектов за счет взаимодействия близко расположенных нанообъектов.

Однако теперь они впервые смогли эффективно возбуждать моды одиночных структур с размерами порядка 500 нм. Для этого ученые использовали лазерный луч со специальной формой пучка при нормальном падении. Так, при освещении нанокластеров сфокусированными фемтосекундными импульсами исследователи смогли усилить мощность третьей оптической гармоники более чем на три порядка, что значительно превосходит эквивалентные показатели наноразмерных аналогов. Ученые также смогли достичь модуляции сигнала на два порядка при изменении поляризации накачки на линейную.

Сначала исследователи разработали геометрию и изготовили устройство в виде массивов отдельно стоящих кластеров из четырех близко расположенных полупроводниковых наночастиц. После этого структуру исследовали нелинейно-оптическими методами на основе перестраиваемого фемтосекундного лазерного комплекса.

«Ранее мы уже рассматривали поляризационную зависимость нелинейного отклика сильно взаимодействующих наночастиц, но не стремились увеличивать его интенсивность, используя особенности коллективного отклика нанокластеров, — рассказывает один из авторов статьи, научный сотрудник лаборатории нанооптики и метаматериалов МГУ Александр Шорохов. — Преимущество нашей новой работы заключается в использовании лазерных пучков более сложной пространственной конфигурации, создающих необходимую нам структуру поля в кластере наноантенн. Благодаря этому их возбуждение происходило более эффективно».