Оптические наноантенны

Раздел подготовлен Константином Апостоловым

В оптике, светом обычно управляют, перенаправляя фронт волны распространяющегося излучения посредством линз, зеркал и т.д. Такой тип управления излучением обуславливается природой электромагнитных полей и не возможен в масштабе меньшем, чем длина волны. Напротив, для управления электромагнитными областями радиоволн и микроволн использует антенны, которые управляют э/м областями в масштабах меньших чем длина волны, таким образом локализуя свободно распространяющееся излучение.

Вспомним, что антенны являются ключевой технологией для таких устройств как сотовые телефоны, телевидение, они используют электромагнитное излучение в радиоволновом или микроволновом режиме. Однако их оптический аналог на сегодняшний день не существует. Тем не менее, недавние исследования в нанооптике, привели к значительному интересу к концепции создания оптических антенн. Большинство последних исследований в этой области сосредотачиваются на том, как перевести существующие технологии радио- и микро- волновых антенн в оптический диапазон частот.

Отсутствие оптических антенн, прежде всего, объясняют их маленькими размерами. Связь между передатчиком и приемником достигает самой высокой эффективности, если полная продолжительность дипольной антенны соответствует приблизительно половине электромагнитной длины волны. Радиопередача высокочастотными световыми волнами в частотном диапазоне нескольких 100 000 гигагерц (500 000 ГГц соответствуют желтому свету длины волны в 600 нм) требует очень маленьких антенн, приблизительно длинной в 350 нм (1 нм = 1 миллионный миллиметра). Производство таких структур, до сих пор проблематично во всем мире т.к. они не могут быть произведены оптическими методами экспозиции по физическим причинам, то есть из-за волнового характера света. Достигнуть точности для изготовления золотых антенн, которые меньше 100 нм, ученые смогли при использовании процесса литографии электронного луча. С помощью этой технологии человечеству откроются возможности создания принципиально новых оптоэлектронных устройств.

Нанотехнология позволяет контролировать и управлять веществом в масштабе приблизительно 1-100 нм. При этом могут проявиться скрытые свойства вещества, связанные с его размером. Поскольку дифракция ограничивает заключение распространяющегося излучения примерно к половине длины волны, длины волн полями которых можно управлять традиционными методами лежат вне интересов нанотехнологии.

В излучающих свет устройствах электрон и дырка объединяются, таким образом, испуская фотон. Существует так же и обратный процесс (photovoltaic’s), в котором поступающий свет вызывает разделение электронно-дырочной пары и образование тока в веществе. В обоих случаях оптическая антенна позволяет повысить эффективность этих процессов. В спектроскопии свет падает на материал, поляризует его и в ответ материал генерирует новое излучение. Длина волны такого испускаемого света зависит от химического состава поляризуемого материала. В этом случае, антенна позволяет сделать оба процесса - генерации и излучения более эффективными. Учитывая широкую применимость и востребованность наноантенн, их отсутствие вызывает активный интерес со стороны ученых всего мира. Введение понятия антенны в оптический диапазон частоты обеспечит доступ к новым технологическим достижениям.

Оптические антенны позволят, увеличить процессы поглощения и излучения света, так же повысят эффективность фотохимических или фотофизических датчиков, увеличат пространственное разрешение в оптической микроскопии.

В то время как радиоантенны были разработаны для решения проблем коммуникации, изобретение оптических антенн было мотивировано микроскопией. По аналогии с радиоволновыми и микроволновыми аналогами, введем понятие оптическая антенна как устройство, позволяющее, эффективно преобразовать свободно распространяющееся оптическое излучение в локализованное, и наоборот. Наиболее общее устройство работы наноантенны представлено на рис.2

Приемник или передатчик взаимодействуют со свободным оптическим излучением с помощью оптической антенны. Приемник или передатчик - идеально элементный квантовый поглотитель или эмиттер, такой как атом, ион, молекула, или же квантовая точка. Антенна увеличивает взаимодействие между эмиттером или поглотителем, таким образом, увеличивая эффективность соответственно либо излучения, либо поглощения. Удобство использования таких антенн заключается в том, что им можно придать практически любые формы. Еще одним достоинством является их унифицированность, так как антенны создаются на нано уровне. т.е. путем индивидуальной компоновки атомов, то антенне возможно придать необходимых свойства при помощи использования разных атомов в зависимости от конечных требований.

Изображения наноантенн, полученные с помощью электронного микроскопа

На рис.3 приведены оптические антенны различной формы в зависимости от требований системы:

(a) асимметричная спиральная антенна, (b) дипольная антенна, (c) квадратная спиральная антенна, (d) фазированная антенна.