Плазмонный волновод преодолевает дифракционный предел

Инженеры Калтеха создали устройство, которое фокусирует свет с точку, диаметром всего несколько нанометров. Управление светом на таком микроскопическом уровне позволит делать оптоэлектронное оборудование более компактным и потребляющим меньше энергии, увеличивать пропускную способность оптоволоконных магистралей.

Попытки уменьшения размеров фокусного пятна наталкиваются на фундаментальное ограничение, называемое дифракционным пределом. Он составляет несколько сот нанометров в случае видимого света, и сфокусировать лучи в меньшую точку является физически невозможным.

Калифорнийские ученые в статье, опубликованной в Nature Photonics, описывают найденный ими способ обойти это ограничение. Экспериментальное устройство — новый тип волновода — представляло собой параллелепипед длиной менее 2 мкм, с одного торца сужающийся в точку. Он был изготовлен из диоксида кремния (стекла) и покрыт тонким слоем золота.

При прохождении света через этот волновод фотоны взаимодействовали с электронами на поверхности раздела между стеклом и золотом. В результате возбуждались сопутствующие электронные волны — поверхностные плазмонные поляритоны (SPP), которые и фокусировались на заостренной оконечности устройства.

В отличие от других подобных экспериментов, в которых свет фокусировался в узкую линию, в новой работе фокусировка производится в трех измерениях и при этом используется не несколько процентов, а половина всего проходящего света. По заявлению исследователей, увеличение размеров фокального пятна с нескольких нанометров до области, габаритами 14×80 нм поднимает эффективность работы волновода до 70%.

Устройство изготовлено на полупроводниковом чипе с применением стандартных нанотехнологий, то есть, может быть легко интегрировано в современный производственный процесс.

Возможности применения «нанофокусировки» не исчерпываются оптическими коммуникациями. Новая технология позволит создавать оптические микроскопы со сверхвысоким разрешением. Использование таких волноводов вместо лазеров для нагрева намагничиваемых участков накопителя при магнитной записи с термоподготовкой (heat-assisted magnetic recording) снизит размеры теплового пятна с 300 до нескольких нанометров. Это позволит изменять полярность отдельных доменов, не затрагивая соседние, и увеличит плотность записи HAMR с одного до 50 ТБ на квадратный дюйм.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI