Ученые разрабатывают новый материал, чтобы использовать силу света

Ученым давно известно, что синтетические материалы, называемые метаматериалами, могут манипулировать электромагнитными волнами, такими как видимый свет, чтобы заставить их вести себя так, как они не ведут себя в природе. Это привело к таким прорывам, как получение изображений в сверхвысоком разрешении.

Группа исследователей, в которую входят сотрудники из UMass Lowell, Королевского колледжа в Лондоне, Парижского университета Дидро и Университета Хартфорда, создала новый класс метаматериалов, которые можно «настраивать» для изменения цвета света. Такая технология может когда-нибудь включить оптическую связь внутри чипа в компьютерных процессорах, что приведет к уменьшению, ускорению, удешевлению и повышению энергоэффективности компьютерных чипов с более широкой полосой пропускания и лучшему хранению данных, а также к другим улучшениям. Встроенная оптическая связь также может создавать более эффективные волоконно-оптические телекоммуникационные сети.

«Современные компьютерные чипы используют электроны для вычислений. Электроны хороши тем, что они крошечные», — сказал профессор Виктор Подольский с кафедры прикладной физики, который является главным исследователем проекта в UMass Lowell. «Однако частота электронов недостаточно высока. Свет — это комбинация крошечных частиц, называемых фотонами, которые не имеют массы. В результате фотоны могут потенциально увеличить скорость вычислений чипа».

По словам Виктора Подольского, преобразование электрических сигналов в световые импульсы приведет к замене устаревших медных проводов на обычных кремниевых чипах. Это обеспечит оптическую связь между чипами и, в конечном счете, связь между ядрами на одном чипе.

«Конечным результатом будет устранение узкого места в коммуникациях, что сделает параллельные вычисления намного быстрее», — сказал он, добавив, что энергия фотонов определяет цвет света. «Подавляющее большинство предметов повседневного пользования, включая зеркала, линзы и оптические волокна, могут управлять или поглощать эти фотоны. Однако некоторые материалы могут объединять несколько фотонов вместе, в результате чего получается новый фотон с более высокой энергией и другого цвета».

Виктор Подольский говорит, что возможность взаимодействия фотонов является ключом к обработке информации и оптическим вычислениям. «К сожалению, этот нелинейный процесс крайне неэффективен, и подходящие материалы для стимулирования взаимодействия фотонов очень редки».

Исследовательская группа обнаружила, что несколько материалов с плохими нелинейными характеристиками могут быть объединены вместе, в результате чего получается новый метаматериал, который демонстрирует желаемые нелинейные свойства.

«Улучшение происходит от того, как метаматериал изменяет поток фотонов», — говорят ученые. «Работа открывает новое направление в управлении нелинейным откликом материалов и может найти применение в оптических схемах, значительно улучшая коммуникацию на кристалле».

Brian Wells et al, Structural second-order nonlinearity in plasmonic metamaterials, Optica (2018). DOI: 10.1364/OPTICA.5.001502