Фотонные «качели» демонстрируют механический перенос света

Уникальное наноустройство, созданное в «чистом помещении» Нано Центра Университета Миннесоты, впервые осуществляет механический транспорт света — открытие, которое может иметь важное значение для создания более эффективного оптического оборудования для вычислений и коммуникаций.

Эта миниатюрная конструкция имеет габариты всего 0,7 на 50 мкм и по способу функционирования напоминает качели. На каждом «сиденье» исследователи вырезали массив отверстий — фотонно-кристаллические полости. Такие наноструктуры служат для захвата фотонов, поступающих от близлежащего источника.

Хотя фотоны не имеют массы, эффект качелей дает генерируемое ими оптическое давление. Наблюдая за движением перекладины, исследователи могут сравнивать воздействие фотонов на две стороны качелей, или взвешивать их. Новый инструмент достаточно чувствителен, чтобы регистрировать силу одиночного фотона.

В статье, опубликованной онлайн и выходящей в октябрьском номере Nature Nanotechnology, исследователи из Миннесоты также рассказали о первом опыте по механической транспортировке света.

Для этого они наполнили фотонами полость только с одной стороны, оставляя другую пустой. Сила, генерируемая пойманными фотонами, заставляла качели колебаться. При достаточно большой амплитуде колебаний фотоны «выплескивались» из занятой полости и перетекали вдоль перекладины в пустую. С дальнейшим усилением колебаний скорость переноса росла, в настоящее время авторами достигнута максимальная пропускная способность приблизительно 1000 фотонов за цикл. Для сравнения, 10-ваттная лампочка каждую секунду испускает 1020 фотонов.

Университетский коллектив поставил перед собой задачу добиться переноса только одного фотона за цикл, так чтобы можно было сохранить квантовые свойства света. В будущих исследованиях планируется сконструировать более сложные модификации таких устройств, имеющие по несколько ловушек с каждой стороны. Это должно позволить увеличить дистанцию транспортировки фотонов и повысить производительность процесса.

Принцип фотонных качелей может найти применение в микросхемах, использующих свет вместо электронного тока для более быстрого и эффективного переноса информации. «Способность механически контролировать движение фотонов вместо управления ими посредством дорогих и неуклюжих оптоэлектронных устройств может стать прорывом в этой технологии», — заявил Хуан Ли (Huan Li), ведущий автор статьи.

Кроме того, результаты исследования могут быть использованы для разработки высокочувствительных микромеханических датчиков ускорения и гироскопов для навигационного оборудования.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI