Les chercheurs ont développé un modèle dynamique tridimensionnel d'une interaction entre la lumière et les nanoparticules. Ils ont utilisé un superordinateur utilisant des accélérateurs graphiques pour les calculs. Les résultats montrent que les particules de silicium exposées à de courtes, les impulsions laser intenses perdent temporairement leur symétrie. Leurs propriétés optiques deviennent fortement hétérogènes. Un tel changement de propriétés dépend de la taille des particules. Par conséquent, il peut être utilisé pour le contrôle de la lumière dans des dispositifs nanométriques de traitement d'informations ultrarapides. L'étude est publiée dans Matériaux optiques avancés .
L'amélioration des dispositifs informatiques aujourd'hui nécessite une accélération supplémentaire du traitement de l'information. La nanophotonique est l'une des disciplines qui peuvent résoudre ce problème au moyen de dispositifs optiques. Bien que les signaux optiques puissent être transmis et traités beaucoup plus rapidement que les signaux électroniques, il faut d'abord apprendre à contrôler la lumière à petite échelle. Dans ce but, les chercheurs utilisent des particules métalliques, qui localisent efficacement la lumière, encore affaiblir le signal, causant finalement des pertes importantes. Cependant, des matériaux diélectriques et semi-conducteurs tels que le silicium peuvent être utilisés à la place du métal.
Les nanoparticules de silicium sont maintenant activement étudiées par des chercheurs du monde entier, dont l'Université ITMO. L'objectif à long terme de telles études est de créer un modulateur compact ultrarapide pour les signaux optiques. Ils peuvent servir de base aux ordinateurs du futur. Cependant, cette technologie ne deviendra réalisable qu'une fois que les chercheurs auront compris comment les nanoparticules interagissent avec la lumière.
"Quand une impulsion laser frappe la particule, beaucoup d'électrons libres se forment à l'intérieur, " explique Sergueï Makarov, responsable du Laboratoire de nanophotonique hybride et d'optoélectronique de l'Université ITMO. "En conséquence, une région saturée de particules de charges opposées est créée. On l'appelle généralement un plasma électron-trou. Le plasma modifie les propriétés optiques des particules et jusqu'à présent, tout le monde croyait que cela se produisait avec la particule entière simultanément, pour que la symétrie soit préservée. Nous avons montré que ce n'est pas tout à fait vrai et qu'une répartition uniforme du plasma à l'intérieur des particules n'est pas le seul scénario possible."
Les scientifiques ont découvert qu'une perturbation électromagnétique causée par l'interaction entre la lumière et les particules a une structure plus complexe. Cela conduit à une légère distorsion, variant avec le temps. Par conséquent, la symétrie des cassures et les propriétés optiques deviennent différentes à travers une particule. « En utilisant des méthodes analytiques et numériques, nous avons d'abord regardé à l'intérieur de la particule et avons vu que les processus qui s'y déroulent sont beaucoup plus compliqués que nous le pensions, " dit Konstantin Ladutenko, membre du Centre international de recherche en nanophotonique et métamatériaux de l'Université ITMO. "De plus, nous avons constaté qu'en changeant la taille des particules, nous pouvons affecter son interaction avec le signal lumineux. Nous pourrions donc être en mesure de prédire le chemin du signal dans tout un système de nanoparticules."
Afin de créer un outil pour étudier les processus à l'intérieur des nanoparticules, des scientifiques de l'Université ITMO se sont associés à des collègues de l'Université Jean Monnet en France. "Nous avons proposé des méthodes analytiques pour déterminer la taille des particules et l'indice de réfraction, ce qui pourrait apporter un changement dans les propriétés optiques. Après, avec de puissantes méthodes de calcul, nous avons suivi les processus à l'intérieur des particules. Nos collègues ont fait des calculs sur un ordinateur avec des accélérateurs graphiques. De tels ordinateurs sont souvent utilisés pour l'extraction de crypto-monnaie. Cependant, nous avons décidé d'enrichir l'humanité de nouvelles connaissances, plutôt que de nous enrichir. De plus, le taux de bitcoin a juste commencé à baisser alors, " dit Constantin.
Les dispositifs basés sur de telles nanoparticules peuvent devenir des éléments de base des ordinateurs optiques, tout comme les transistors sont maintenant des éléments de base de l'électronique. Ils permettront de distribuer et de rediriger ou de brancher le signal. "De telles structures asymétriques ont une variété d'applications mais nous nous concentrons sur le traitement ultra-rapide du signal, " poursuit Sergey. " Nous disposons désormais d'un outil théorique puissant qui nous aidera à développer un système de gestion de l'éclairage rapide et compact. "
