Сквозь магический кристалл

Ученые получили магнитофотонный кристалл, с помощью которого можно эффективно управлять интенсивностью отраженного света. Исследователям удалось с помощью магнитного поля изменять интенсивность оптического пучка, отраженного в конкретной точке, на 19%, то есть делать его сильнее или слабее. Этот эффект можно будет использовать в оптических компьютерах, где информация кодируется потоком фотонов (частиц света), а не электронов, как в существующих устройствах.

Кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Александр Фролов

Александр Фролов / МГУ им. М. В. Ломоносова

Удержать свет внутри себя

В настоящее время активно развиваются оптические (фотонные) компьютеры, в которых информация будет обрабатываться с помощью света, а не электронов. Для работы таких компьютеров необходимы компактные устройства, которые изменяют свойства света, например благодаря эффекту Гуса — Хенхен. При этом явлении свет, падающий на поверхность, отражается не только в точке, в которую упал, но и в другом месте, отстоящем примерно на 500 нанометров (расстояние, сопоставимое с размером мельчайших бактерий).

Чтобы усилить такой эффект, ученые используют фотонные кристаллы — многослойные объекты, способные «удерживать» свет внутри себя на доли микросекунд и благодаря этому «отодвигать» точку отражения света еще дальше — вплоть до нескольких миллиметров. При этом, чтобы научиться точно управлять «сдвигом» при отражении света и интенсивностью получаемого луча, нужны фотонные кристаллы из разных активных материалов, которые меняют свои свойства под действием, например, магнитных полей.

Ученые из Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова изготовили магнитофотонный кристалл, в котором интенсивность отраженного света можно настраивать с помощью магнитного поля.

Для этого авторы нанесли тонкий слой магнитного материала на основе висмута, иттрия и железа на фотонный кристалл, состоящий из слоев оксида кремния и тантала. Именно благодаря такому покрытию у фотонного кристалла появилась возможность менять свойства света в магнитном поле.

Экспериментальная установка для изучения изменения интенсивности пучков света под действием магнитного поля

Александр Фролов / МГУ им. М. В. Ломоносова

Для фотонных компьютеров будущего

Исследователи направили на полученный образец лазерный луч и с помощью датчика измерили, куда именно падает пучок света и где затем отражается. Авторы увидели два пучка: первый отразился от поверхности кристалла ровно в той точке, куда падал луч, а место отражения второго сместилось на десятки микрометров из-за «захвата» света внутри кристалла.

Оказалось, что интенсивностью этих двух пучков можно управлять с помощью внешнего магнитного поля, делая лучи сильнее или слабее. Кроме того, авторам удалось на 19% изменить интенсивность свечения зоны между двумя лучами — прямым отраженным и смещенным. Это означает, что магнитофотонный кристалл в перспективе сможет кодировать разную информацию с помощью оптического излучения, меняющегося под действием магнитного поля. Такие магнитофотонные кристаллы смогут стать модуляторами — элементами для обработки данных — в фотонных компьютерах будущего.

«В дальнейшем мы планируем изготовить магнитофотонный кристалл с еще большей “задержкой” света в магнитном слое, чтобы увеличить эффект сдвига пучков и еще больше изменить интенсивность свечения в области между отраженными пучками при включении магнитного поля. Для этого можно будет попробовать новые магнитооптические материалы для фотонного кристалла и оптимизировать его размеры для лучшего захвата света внутри себя», — рассказывает Александр Фролов, руководитель проекта, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник кафедры нанофотоники физического факультета МГУ.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале ACS Photonics.

По материалам пресс-службы РНФ