Нанофотоника как наука представляет собой перспективную область науки, изучающую взаимодействие потока света с веществами на нанометровом уровне. Здесь уже применимы принципы квантовой механики и квантового материаловедения. Нанофотоника позволяет контролировать и манипулировать светом с разрешением, превосходящим длину волны. Это открывает возможности для создания передовых технологий в различных областях, таких как: 1) Высокоскоростная передача данных: использование нанофотонных структур для увеличения пропускной способности оптических волокон и создания фантастически быстрых коммуникационных сетей. 2) Сверхчувствительное биосенсорство: разработка нанофотонных датчиков, способных обнаруживать малейшие изменения в биологических средах, что позволит проводить раннюю диагностику заболеваний и контролировать качество продуктов питания.

Благодаря возможности управлять потоком света и взаимодействием фотонов с веществом, нанофотоника обеспечивает фундаментальные прорывы в оптике и имеет потенциал для революционных изменений в медицине, энергетике, информационных технологиях и других областях.

Нанофотоника имеет много применений. Это помогает обеспечить быструю передачу данных, лучшее использование солнечной энергии и сверхчувствительность. считывание. Быть способным манипулировать светом на наноуровне изменило многие отрасли. По мере его роста мы увидим больше удивительных открытий и инноваций со светом.

«Нанофотоника — это не просто миниатюризация оптических компонентов — это открытие новых возможностей путем управления взаимодействиями света и материи на наноуровне».

Ученые добились впечатляющих успехов в нанофотонике. Они работают над улучшением микролазеров и интеграцией нанофотонных устройств в системы. Потенциал манипулирование светом на наноуровне проявляется невероятным образом.

Контроль спонтанных выбросов

В мире нанофотоники контроль спонтанного излучения на наноуровне имеет большое значение. Оптические антенны играют ключевую роль в этих усилиях. Они соединяют большой мир света с крошечным миром квантовых взаимодействий. Используя «эффект громоотвода», эти крошечные структуры могут увеличить излучение света. Это дает нам большой контроль над тем, как свет взаимодействует с материей.

Когда металлическая частица, например наночастица благородного металла, приближается к молекуле, она может перевести ее в более высокое состояние. Рассеянные поля создают горячие точки интенсивного света вблизи частицы. Благодаря плазмонным свойствам наночастицы эти поля можно усиливать. Это позволяет нам контролировать спонтанное излучение на наноуровне.

Использование одиночных излучателей или групп излучателей на сканирующих зондах показало, что мы можем отображать объекты размером до 100 нанометров. Это позволяет нам контролировать спонтанное излучение с большой точностью. Локальная плотность оптических состояний (LDOS) является ключевой во взаимодействиях света и материи. Изменяя взаимодействие между квантовой точкой и плазмонной наноструктурой, мы можем усилить или уменьшить спонтанное излучение. Это открывает новые возможности для источников света и квантовых схем.

Эти эксперименты показали удивительную пространственную точность с разрешением всего 12 нанометров. Этот уровень контроля над взаимодействием света и материи на наноуровне огромен для многих. Приложения. Это многообещающе для считывание, спектроскопия, оптическая связьИ многое другое.

«Способность контролировать спонтанное излучение на наноуровне является выдающимся достижением в области нанофотоники».

Фотонные кристаллы и метаматериалы

В мире нанофотоники новые материалы изменили движение света. Фотонные кристаллы и метаматериалы являются ключевыми инновациями. Они меняют наше понимание света и управление им на наноуровне.

Фотонные кристаллы предназначены для управления светом. Создавая их крошечные части, мы можем создавать материалы, которые направляют, фильтруют или улавливают свет. Эти материалы меняют такие области, как связь, сенсорика и фотоника.

Metamaterials созданы, чтобы обладать свойствами, которых нет в природе. Они могут изгибать, фокусировать или даже скрывать свет. Это позволяет нам совершить большой скачок в области визуализации, энергетики и квантовой информации.

Новые способы изготовления материалов открыли новые возможности фотонных кристаллов и метаматериалы. Исследователи постоянно находят им новое применение. Это было ясно еще на Международная конференция по метаматериалам, фотонным кристаллам и плазмонике (МЕТА).

Фотонные кристаллы	Metamaterials
Периодические наноструктуры, управляющие светом	Искусственные композиты, обладающие уникальными оптическими свойствами.
Приложения в оптической связи, зондировании и интегрированной фотонике	Приложения в области визуализации, сбора энергии и обработки квантовой информации
Положитесь на передовые методы нанопроизводства	Положитесь на передовые методы нанопроизводства

Мы только начинаем понимать, на что способны фотонные кристаллы и метаматериалы. Мы ожидаем еще более удивительных изменений в нанофотонике. Они позволят нам управлять светом способами, которых мы никогда раньше не видели.

Ближнепольная оптика и субволновая визуализация

В мире нанофотоники манипулирование светом на наноуровне изменило то, как мы видим крошечный мир. Ближнепольная оптика и субволновая визуализация сыграли ключевую роль в этом изменении. Они позволили нам выйти за рамки дифракционный предел для лучшего разрешения и контроля.

Нарушение дифракционного предела

Аббат дифракционный предел используется для ограничения резкости изображений. Но оптика ближнего поля и мимолетные волны изменил это. С помощью эффект громоотвода or наночастицы, мы можем фокусировать свет так, как не могли раньше. Это позволяет нам изучать взаимодействие света и материи в наномасштабе.

Это открыло новые возможности. Теперь мы можем изучать материю на уровне отдельных молекул. Это привело к появлению новых устройств с крошечными деталями и изменило такие области, как квантовая оптика, биосенсорство и интегрированная фотоника.

«Оптика ближнего поля и субволновая визуализация методы нанофотоники позволили манипулировать и фокусировать электромагнитные поля за пределами дифракционный предел, что позволяет исследовать материю на уровне отдельных молекул и обеспечивает максимальную плотность интеграции в устройствах следующего поколения».

Исследователи в области нанофотоники продолжают раздвигать границы возможного. оптика ближнего поля и субволновая визуализация. Преодолев дифракционный предел, они открывают новые способы изучения и контроля света и материи на наноуровне. Это может привести к большим открытиям и новым технологиям.

Плазмонные устройства и схемы

Нанофотоника привела к созданию плазмонные устройства и схемы. В этих устройствах используются плазмоны, которые представляют собой группы возбужденных электронов. Они помогают контролировать и фокусировать свет в очень небольших масштабах. Это упрощает объединение света и электроники для многих целей, таких как зондирование, спектроскопия и связь.

Исследования поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) значительно расширились за 16 лет. Плазмоны можно сделать очень маленькими, намного меньшими, чем то, на чем может фокусироваться свет. Это позволяет нам работать со светом в крошечном масштабе.

Даже если плазмонные устройства и схемы многообещающи, они еще мало используются для вычислений или обработки информации с помощью света. Это потому, что они все еще довольно большие по сравнению с электронными деталями. Большинство работает над плазмоника только начинает понимать, как они работают, и показывает, что они на что-то способны.

Использование силы плазмонов

Плазмоны — высшая частота скин-эффекта, известная в радиотехнике. Мы можем понять их, используя уравнения Максвелла. Благодаря толстой металлической пленке и диэлектрическим материалам с обеих сторон он может поддерживать две плазмонные волны.

«Плазмоны представляют собой крайний частотный предел классического скин-эффекта, хорошо известного в радиочастотной технике».

Создающий плазмонные устройства и схемы является ключевым в нанофотонике. Они позволяют нам контролировать взаимодействие света и материи в крошечном масштабе. Это приводит к новым способам совместного использования фотонных и электронных компонентов. Это открывает новые области в области зондирования, спектроскопии, коммуникации и обработки информации.

Год	Вклад
2005	Заяц А.В., Смольянинов И.И., Марадудин А.А. Нанооптика поверхностных плазмонных поляритонов. Физ. Представитель
2018	Стокман М.И., Кнайп К., Божевольный С.И. Дорожная карта по плазмоника. J. Опт.
2019	Баумберг Дж. Дж., Айзпуруа Дж., Миккельсен М. Х., Смит Д. Р. Экстремальная нанофотоника из сверхтонких металлических зазоров. Нат. Матер.
2021	Югбар С., Чоу Х.-Л., Ян К.-Х., Кришнавати Д.И. Фасетно-зависимые нанокристаллы золота для эффективного фототермического уничтожения бактерий. Дж. Хазард. Матер.
2021	Дуань Ц., Лю Ю., Чанг С., Чен Х., Чэнь Дж.-Х. Поверхностные плазмонные датчики: чувствительный механизм и последние применения. Датчики.
2020	Югбаре С., Муталик К., Кришнавати Д.И. Наноматериалы для фототермического уничтожения бактерий. Наноматериалы.

Оптические метаповерхности

Оптические метаповерхности меняют правила игры в нанофотонике. Они состоят из крошечных структур, которые могут изменять движение света. Это позволяет им управлять светом способами, которые мы раньше не могли себе представить.

Эти поверхности могут изменять фазу, амплитуду и поляризацию света. Это означает, что они могут контролировать распространение света и его форму. Эта технология открывает новые возможности использования во многих областях.

Исследователи добились больших успехов в области метаповерхностей. Они создали такие вещи, как плоские линзы, голограммы и оптические вихри. Теперь они могут изменить действие света с помощью всего лишь напряжения.

Это сильно изменило лазерную технологию. Это позволило улучшить формирование лучей, изменение поляризации света и исправление искажений.

Метаповерхности также играют ключевую роль в улучшении машинного зрения и интеллекта. Они хорошо работают со структурированным светом для восприятия глубины. Добавление их к технологии MEMS позволяет нам управлять светом быстро и в режиме реального времени.

Будущее нанофотоники выглядит светлым благодаря оптическим технологиям. метаповерхности. Они показывают нам, как управлять светом в крошечном масштабе. Это может изменить многие отрасли: от лазеров и визуализации до квантовых технологий.

«Метаповерхности произвели революцию в лазерной оптике, обеспечив точный контроль над свойствами света, такими как его фаза, амплитуда и поляризация».

Нанофотонные интегральные схемы

Нанофотоника привела к созданию нанофотонные интегральные схемы. Эти схемы объединяют фотонные и электронные части в крошечном масштабе. Это позволяет найти новые способы обработки взаимодействие света и материи. Они делают возможными такие вещи, как более совершенные датчики, более быструю оптическую связь и энергосберегающую обработку информации на небольшом универсальном устройстве.

Полагая фотонно-электронный Объединение частей на одном чипе имело большое значение в нанофотонике. В 2012 году IBM сделала ключевой шаг, соединив оптические и электрические части на кремниевом чипе. Этот шаг помог привести к более продвинутому нанофотонные интегральные схемы.

Еще в 1990-х годах исследователи начали менять ситуацию, предлагая новые способы создания крошечных узоров. Эти новые методы, наряду с метаматериалы, позвольте учёным управлять светом в крошечных масштабах, как никогда раньше.

Нанофотонный компонент	Описание
Оптические волноводы	В них используются такие материалы, как кремний, нитрид кремния или полупроводники III-V, для направления света через схему.
Оптические резонаторы	Включите кольцевые резонаторы, дисковые резонаторы и фотонно-кристаллические полости, которые помогают контролировать движение света.
Фотонные кристаллы	Помогите создать высококачественные оптические резонаторы, острые изгибы волноводов и фильтры, улавливающие определенные длины волн.
Оптические модуляторы и переключатели	Они играют ключевую роль в передаче информации о свете и направлении световых сигналов в цепи.

Чтобы нанофотонные интегральные схемыУченые используют передовые методы, такие как электронно-лучевая литография (EBL), литография глубоким ультрафиолетом (DUV) и литография наноимпринтов (NIL). Эти методы помогают собрать крошечные фотонные и электронные части на одном чипе.

Нанофотонные интегральные схемы используются во многих областях, таких как оптическая связь, вычисления, зондирование, визуализация и квантовая обработка информации. Но по-прежнему существуют проблемы с обеспечением хорошей работы этих схем с электронными деталями, их масштабированием и упрощением изготовления.

Поскольку нанофотоника становится все лучше, исследователи ищут новые материалы, устройства и способы создания нанофотонные интегральные схемы работать еще лучше. Эти новые идеи могут привести к значительным улучшениям в том, как мы обрабатываем информацию, воспринимаем вещи и используем энергию.

Применение нанофотоники

Нанофотоника — это передовая область, которая занимается изучением света на наноуровне. Это открыло новые возможности. Улучшает чувствительность и спектроскопию, а также изменяет оптическая связь.

Зондирование и спектроскопия

На наноуровне управление взаимодействием света и материи привело к созданию более совершенных датчиков и спектроскопических методов. Эти нанофотонные датчики могут обнаруживать крошечные количества материалов. Они имеют решающее значение в биомедицинская диагностика и экологический мониторинг.

Такие методы, как рамановская спектроскопия с усилением на зонде (TERS) обеспечивают высокое пространственное разрешение. Это позволяет исследователям детально изучать материалы на наноуровне.

Оптические коммуникации

Объединение фотонных и электронных компонентов на наноуровне позволило улучшить оптическую связь. Нанофотоника сделал передачу данных более быстрой и энергоэффективной. Это может изменить многие отрасли, например интегральная схема, оптические вычисления, солнечная технология и медицинские приборы.

Процесс подачи заявки	Процент разработанных приложений
Интегральные схемы	30%
Оптические вычисления	25%
Солнечные Технологии	20%
Медицинские приборы	15%

Нанофотоника все еще развивается, и мы увидим еще больше интересных приложений. Они изменят то, как мы используем технологии и взаимодействуем с миром.

«Нанофотоника – это не просто миниатюризация; речь идет об использовании уникальных свойств света на наноуровне для создания революционных технологий, которые когда-то считались невозможными».

Заключение

Нанофотоника изменила то, как мы используем и контролируем свет в крошечных масштабах. Это позволяет нам работать со светом так, как мы не могли раньше. Нанофотоника сделало возможным изучать свет на нанометровом уровне и создавать источники света, излучающие одиночные фотоны.

Будущее нанофотоники выглядит светлым. Исследователи работают над новыми материалами и технологиями. Это поможет нам еще более эффективно использовать свет на наноуровне. Это может привести к большим изменениям в восприятии, общении и обработке информации.

Нанофотоника позволила улучшить взаимодействие света с материей. Это также позволяет нам контролировать, как свет проходит через материалы. Это открыло новые области, такие как биохимическое зондирование, квантовая обработка информации и энергосберегающее освещение.

По мере продвижения исследований в области нанофотоники мы увидим еще более удивительные применения. Это изменит такие отрасли, как здравоохранение и телекоммуникации. Мы рады использовать свет на наноуровне, чтобы стимулировать инновации и сделать будущее ярче и более взаимосвязанным.

Разработана новая конструкция нанопатч-антенны с увеличенной в 330 раз интенсивностью излучения

Физики из МФТИ и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН предложили новую конструкцию оптических антенн для нанофотонных устройств — на основе серебряных наночастиц и кадмиевых квантовых точек, которые испускают более яркое люминесцентное излучение и при этом обладают меньшим временем реакции. Кроме того, ученые предложили новый способ получения микроизображений антенн, позволяющий обойтись без использования метода «темного поля». Работа опубликована в журнале Nanotechnology. Современная электроника основана на использовании электронов в качестве носителей информации, однако классические медные провода и дорожки на чипах уже не могут передавать информацию с достаточной для современных процессоров скоростью. Переход от электронов к фотонам может решить эту проблему. Нанофотонные устройства представляют интерес для применения в области цифровых технологий — в крупных дата-центрах, для мобильных сенсорных устройств, а также для аналоговых оптических сопроцессоров. Ключевой компонент таких устройств — наноантенна, способная принимать излучение определенной длины волны и преобразовывать его — менять частоту, амплитуду или направление.

Рисунок 1. (а, с) схематическое устройство нанопатч-антенны. На стекло нанесен слой металла — алюминия, который, окисляясь, покрывается пленкой Al2O3, являющегося диэлектриком. Далее нанесен слой квантовых точек — небольших кристаллов сульфида или селенида кадмия, способных под воздействием электромагнитного излучения испускать свет определенной длины волны. Выше расположены кубические наночастицы серебра размером 80 нм. Источник: Nanotechnology

В 1985 году Джон Вессель показал, что в качестве наноантенны можно использовать металлическую наночастицу. Дальнейшее развитие технологии привело к созданию нанопатч-антенн. Название «патч» происходит от английского «заплатка» — металлические наночастицы располагаются на металле, покрытом слоем диэлектрика, как заплатки на ткани (рисунок 1).

Под действием внешнего электромагнитного поля электроны в наночастице смещаются, образуя на краю частицы отрицательный заряд, противоположный край при этом приобретает положительный заряд, частица поляризуется.

Рисунок 2. Возбуждение локального поверхностного плазмонного резонанса электрическим полем (А) и распределение интенсивности поля вокруг наночастицы с возбужденным плазмоном (Б). Источник: «Успехи биологической химии», т. 55, 2015, с. 391–420, «Детекция межмолекулярных взаимодействий, основанная на регистрации поверхностного плазмонного резонанса», Д. В. Сотников, А. В. Жердев, Б. Б. Дзантиев

При этом возникает электромагнитное поле, направленное противоположно внешнему, которое колеблется в такт с падающей на частицу электромагнитной волной. Эти колебания физики описывают с помощью специальной квазичастицы — плазмона. Если частота волны не превышает определенного значения, внутреннее поле «экранирует» наночастицу от внешнего, падающая волна отражается — отсюда и характерный блеск, которым обладают металлы. Если же частота выше, электроны «не успеют» среагировать — волна поглотится или рассеется. Как и в любых колебаниях, у нас есть частота вынуждающего излучения, при которой амплитуда максимальна, — частота плазмонного резонанса.

«В результате колеблющиеся электроны в зазоре между металлической наночастицей и слоем металла создают мощное электрическое поле, намного превосходящее внешнее. Находящиеся в этом поле квантовые точки более эффективно поглощают внешнее излучение и, следовательно, более эффективно излучают. Уменьшение времени, за которое происходит излучение квантовой точки, происходит за счет открытого в 1964 году эффекта Парсела: поместив квантовую точку в резонатор из металлического слоя и наночастицы, мы можем заставить ее излучать быстрее», — поясняет Алексей Витухновский, профессор, заведующий лабораторией технологий 3D-печати функциональных микроструктур МФТИ.

Физики из лаборатории технологий 3D-печати функциональных микроструктур МФТИ с коллегами разработали конструкцию нанопатч-антенны, которая позволила сократить паузу между облучением и люминесцентным ответом в 60 раз (с 12 наносекунд до 0,2) и увеличить интенсивность излучения в 330 раз.

Кроме того,  ученые предложили новый способ оптического исследования структуры нанопатч-антенн, основанный на перестройке длины волны лазерного излучения. Традиционный подход подразумевает использование метода «темного поля», когда образец подсвечивается «сбоку», так что изображение формируется рассеянным на нем светом. Основной минус темнопольной микроскопии — подсветка в широком спектральном диапазоне, при этом фокусное расстояние для разных длин волн будет разным, а изображение будет получаться размытым. Кроме того, если в основном наблюдение объекта ведется в светлом поле, перестраиваться в темное поле долго и неудобно.

Рисунок 3. Предложенная учеными схема микроскопии в свете слегка рассеянного лазерного излучения. Источник: Nanotechnology

Рисунок 4. а) изображение серебряных наночастиц на стекле, полученное методом темного поля b) и при помощи предложенного метода, c)  — изображение серебряных наночастиц на металле, полученное при освещении образца лазерным излучением с длиной волны 530 нм d) и 650 нм. Источник:  Nanotechnology

Предложенный авторами метод лишен этих недостатков — он основан на том, что наночастица на металле поглощает падающее излучение с частотой, близкой к частоте плазмонного резонанса, поэтому на изображении частица будет выглядеть темным пятном. Длина волны, при которой происходит плазмонный резонанс, в серебряной наночастице на алюминии около 700 нм, поэтому при длине волны лазера в 650 нм картинка получается более четкой.

«Наноантенны — один из элементов, необходимых для создания квантовых компьютеров. Квантовые компьютеры используют источники одиночных фотонов, работающие на больших скоростях, и нанопатч-антенны могут выступать в роли такого источника. Кроме того, они могут быть использованы в органических светодиодах, из которых, в свою очередь, можно собрать световую поверхность или экран», — комментирует Станислав Елисеев, старший научный сотрудник лаборатории технологий 3D-печати функциональных микроструктур МФТИ.

Источник: https://mipt.ru/, https://editverse.com/