Исследователи Университета Аалто в Финляндии полагают, что новый метод создания световых вихрей на основе квазикристаллов, который они разработали, однажды может позволить создать совершенно новый способ кодирования и транспортировки больших объемов данных.
Группа квантовой динамики профессора Пяйви Тёрмя исследует металлические наночастицы, которые взаимодействуют с электромагнитным полем (плазмоника). Теоретическая основа метода проектирования квазикристаллов была разработана Кристианом Арьясом, докторантом-исследователем, и экспериментально разработана Яни Таскиненом, который заканчивал докторскую диссертацию.
Работа группы была вдохновлена их более ранним исследованием, в котором они обнаружили, что могут выбрать конкретный вихрь для лазерной генерации внутри периодических структур, помещая наночастицы в определенные положения. Но из-за геометрических ограничений было доступно лишь несколько различных вихрей, а получение большего количества вихрей означало переход в область квазикристаллов (апериодических, но упорядоченных структур), где существуют более высокие вращательные симметрии.
«Как и многие великие идеи, квазикристаллические структуры изначально были попыткой решить совершенно другую проблему, связанную с магнитными материалами. Хотя этот проект так и не был реализован, творческий подход Арьяса позволил нам использовать инструменты, полученные в процессе работы, для создания этих беспрецедентных плазмонных устройств», — говорит Таскинен.
Лазерная генерация внутри решеток плазмонных наночастиц не нова. «Такие устройства представляют собой одну из форм лазеров с распределенной обратной связью, в которой периодическая структура поддерживает стоячую волну», — говорит Таскинен. «Эти режимы затем можно усилить, добавив усиливающий материал и внешнюю накачку. В нашей работе мы объединяем двумерные (2D) устройства с молекулами красителей и оптически накачиваем их другим лазером. Усиленные волны представляют собой плазмонные возбуждения — квазичастицы, состоящие из электромагнитных волн и электронных колебаний на поверхности наночастиц».
Сложнее всего спроектировать геометрию решетки, чтобы плазмонные моды генерировали лазерные лучи с поляризационными вихрями, и именно здесь новый процесс проектирования квазикристаллов группы становится решающим.
«Мы можем определить, какие вихри присутствуют, исходя из симметрии образца», — говорит Арьяс. «Квазикристаллы дают нам больше возможностей (и более сложные вихри) из-за их более высокой степени вращательной симметрии. Но за это приходится платить дальним порядком, который необходим для обеспечения достаточно сильного механизма обратной связи для плазмонной генерации. Проблема становится двоякой: как выбрать конкретную моду из множества мод с одинаковой энергией и как заставить ее работать».
Симметрия «это одна из немногих вещей, которые природа должна уважать», — отмечает Арьяс. И именно это позволило исследователям связать различные теоретические модели друг с другом и с экспериментами.
«Наш процесс проектирования квазикристаллов может быть полезен для многих других фотонных приложений, помимо плазмоники», — говорит Таскинен. «Выбор режима был обусловлен пространственно-приложенными плазмонными потерями, но ничто не запрещает использовать структуры с локализованным усилением для достижения аналогичного результата. Это показывает, что иногда потери в оптической системе могут быть полезны».
Процесс проектирования
С теоретической точки зрения процесс проектирования группы состоял из трех этапов: определение мертвых зон в электрическом поле и размещение там частиц; введение дальнего порядка в систему для создания стоячих волн, что необходимо для плазмонной генерации; и, наконец, добавление последних штрихов, чтобы сделать образец максимально однородным и избежать нежелательных эффектов.
«Проектирование выполнялось в рамках быстрых итеративных циклов в тесном сотрудничестве с Таскиненом, поэтому я мог создать набор первоначальных теоретически обоснованных проектов, которые он доработал бы на основе своего опыта работы с плазмонными системами», — говорит Арьяс. «Затем он изготовил и измерил структуры и предоставил мне данные, которые я использовал для уточнения теоретической модели для следующей итерации. Мы прошли этот цикл примерно восемь раз».
Плазмонные структуры «по своей сути несут потери, и хотя это свойство позволяет нам реализовать процесс проектирования квазикристаллов, оно ухудшает качество режимов генерации», — объясняет Таскинен. «Экспериментально эта работа во многом представляла собой баланс между двумя принципами: наличием достаточного количества наночастиц в квазикристалле для обеспечения селективности мод, сохраняя при этом общие потери достаточно небольшими для поддержки лазерной генерации».
В конце концов, многие правильные параметры квазикристалла можно было найти только методом проб и ошибок, что включало в себя несколько циклов изготовления образцов в условиях чистой комнаты и измерения лазерной генерации в оптической лаборатории. «Чтобы изучить оптические свойства этих устройств, мы накачали образцы сверхбыстрыми лазерными импульсами и проанализировали излучение с помощью спектрометра с угловым разрешением», — говорит Таскинен.
