光子作為電磁輻射的載體，既沒(méi)有質(zhì)量，也沒(méi)有電荷。這意味著，光是相對(duì)難以控制的，不像例如電子那樣可以通過(guò)施加恒定的電場(chǎng)進(jìn)行控制。然而，一些如納米天線等設(shè)備能夠一定程度上實(shí)現(xiàn)電磁波的傳播控制。一個(gè)需要“先進(jìn)”的光處理的領(lǐng)域即發(fā)展光學(xué)計(jì)算機(jī)。在這些設(shè)備中，信息不是由電子攜帶的，而是由光子攜帶的。使用光而不是帶電粒子有可能大大提高傳輸和處理信息的速度。實(shí)現(xiàn)這種類型的電腦需要一種具有在某種程度上施加一個(gè)恒定的電場(chǎng)或磁場(chǎng)或通過(guò)改變?nèi)肷涔獾膹?qiáng)度，就可進(jìn)行操縱的特點(diǎn)的例如特定的納米天線設(shè)備。

 

發(fā)表在《激光與光子學(xué)的評(píng)論》雜志上的一篇文章中，研究人員設(shè)計(jì)了一種新型的非線性納米天線，其可以根據(jù)入射波強(qiáng)度進(jìn)行改變光的散射方向（圖1）。該研究提出的納米天線的核心是硅納米顆粒，其在嚴(yán)格的激光輻射下可產(chǎn)生電子等離子體。作者以前證明了使用這些納米粒子進(jìn)行非線性和超快控制光的可能性。研究人員然后設(shè)法操縱部分光進(jìn)行前向和后向的輻射散射。現(xiàn)在，通過(guò)改變?nèi)肷涔獾膹?qiáng)度，他們已經(jīng)找到了一種方法來(lái)把一個(gè)散射光約束在所需的方向。

 

 

旋轉(zhuǎn)的納米天線的輻射模式，采用硅等離子體激勵(lì)機(jī)制。該研究中的納米天線是一個(gè)直徑不等的二聚體兩硅球。利用弱激光進(jìn)行照射，該天線將由于其不對(duì)稱的形狀進(jìn)行光線的散射（如圖2A藍(lán)圖）。可進(jìn)行兩個(gè)納米粒子直徑的選擇，使一個(gè)粒子在激光的波長(zhǎng)處實(shí)現(xiàn)共振。在強(qiáng)激光脈沖的照射下，會(huì)在共振粒子中產(chǎn)生電子等離子體，這會(huì)導(dǎo)致粒子的光學(xué)性質(zhì)的變化。而其它的粒子是非共振的，強(qiáng)大的激光場(chǎng)對(duì)其的影響很小。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)準(zhǔn)確選擇兩個(gè)粒子的相對(duì)大小以及入射光束等參數(shù)（持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度）進(jìn)行組合，甚至有可能讓粒子幾乎是相同的大小，從而天線會(huì)讓光束反射（在圖2a紅色）。

 

“現(xiàn)有的光學(xué)納米天線可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)進(jìn)行光的控制。然而，這種能力通常是由于在它們的結(jié)構(gòu)和組成它們的材料所帶來(lái)的，因此它是不可能在任何時(shí)候進(jìn)行配置這些特點(diǎn)的，”Denis Baranov說(shuō)，他是莫斯科物理技術(shù)學(xué)院的研究生且是論文的第一作者。“然而我們研究的這種納米天線的性質(zhì)，是可以動(dòng)態(tài)修改的。當(dāng)我們用微弱的激光脈沖照射它時(shí)，我們會(huì)得到一個(gè)結(jié)果，但當(dāng)用一個(gè)強(qiáng)烈的脈沖時(shí)，結(jié)果會(huì)是完全不同的。”科學(xué)家們對(duì)光的散射機(jī)理的數(shù)值模擬如圖2（b）。仿真結(jié)果表明，當(dāng)納米天線由微弱的激光束進(jìn)行照射時(shí)，光會(huì)散射到天線一側(cè)。然而，當(dāng)用強(qiáng)激光脈沖進(jìn)行照射納米天線時(shí)，會(huì)導(dǎo)致裝置內(nèi)的電子等離子體的散射圖案旋轉(zhuǎn)20度（紅色線）。這就提供了一個(gè)實(shí)現(xiàn)入射脈沖在不同方向偏轉(zhuǎn)弱或強(qiáng)的方法。

 

Sergey Makarov，他是彼得堡國(guó)立信息技術(shù)機(jī)械與光學(xué)大學(xué)納米光子學(xué)和材料系的資深研究員，他說(shuō)“在這項(xiàng)研究中，我們集中研究在測(cè)量尺寸小于200×200×500納米的納米光學(xué)芯片。這遠(yuǎn)小于一個(gè)攜帶信息的光子的波長(zhǎng)。新的設(shè)備將使我們能夠以相比基于電子的類似設(shè)備更好的速度上進(jìn)行光的傳播方向的改變。我們的設(shè)備將能夠?qū)崿F(xiàn)很短的時(shí)間內(nèi)將一個(gè)信號(hào)分配到兩個(gè)光信道，這對(duì)于現(xiàn)在通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是十分重要的。”

 

今天通過(guò)光纖進(jìn)行信息的傳播的速度已達(dá)到幾百Gbit /s，而利用現(xiàn)代這些單個(gè)元件只有幾個(gè)Gbit / s的速度的電子設(shè)備進(jìn)行信號(hào)的處理非常慢。這里提出的非線性光學(xué)納米天線可以解決這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗ぷ髟?50 Gbit/s，這為光學(xué)信息的快速處理提供了方法。由研究人員開(kāi)發(fā)的非線性天線提供了在納米量級(jí)進(jìn)行控制光的更多的機(jī)會(huì)，這也將是成功開(kāi)發(fā)光子計(jì)算機(jī)和其他類似的設(shè)備所必需的。

 

本文轉(zhuǎn)載自實(shí)驗(yàn)幫。