Написано AZoNano 9 января 2020

Направленные антенны – это устройства, которые преобразуют электрические сигналы в радиоволны, излучая их в определенном направлении. Этот принцип, который позволяет уменьшить помехи и улучшить рабочие характеристики, оказался выгодным в радиоволновой технологии и может также применяться к миниатюрным источникам света.

В любом случае почти во всех интернет-коммуникациях используется оптическая связь. Можно использовать направленные антенны для передачи света между различными ядрами процессора со скоростью света с небольшими потерями. Такие направленные антенны можно заставить работать с очень короткими волнами видимого света, уменьшив их размер до нанометрового масштаба.

В одной из ведущих публикаций физики из Вюрцбургского университета заложили основы этой технологии. Впервые они объяснили способы синтеза направленного инфракрасного света, используя электрическую антенну Яги-Уда, сделанную из золота, в журнале Nature Communications .

Антенна была разработана рабочей группой по нанооптике под руководством профессора Берта Хехта, который возглавляет кафедру экспериментальной физики 5 в Вюрцбургском университете. Антенна была названа «Яги-Уда» в честь Хидэцугу Яги и Синтаро Уда, двух японских ученых, которые изобрели антенну в 1920-х годах.

Применение законов технологии оптических антенн

Каким будет видимость антенны Яги-Уда для света? « По сути, он работает так же, как его старшие братья по радиоволнам », – отметил д-р Рене Каллок, один из членов группы нанооптики. Когда прикладывается переменное напряжение, электроны в металле начинают вибрировать, и, следовательно, антенны излучают электромагнитные волны.

Однако в случае антенны Яги-Уда это происходит не равномерно во всех направлениях, а из-за избирательной суперпозиции излучаемых волн с использованием специальных элементов, так называемых отражателей и направляющих. Это приводит к конструктивным помехам в одном направлении и разрушительным помехам во всех других направлениях .

Д-р Рене Каллок, Нанооптическая группа, Вюрцбургский университет

Таким образом, такая антенна может принимать свет, исходящий только в том же направлении, при работе в качестве приемника.

Технически сложно применять законы технологии антенн к наноразмерным антеннам, излучающим свет. В прошлом физики из Вюрцбурга продемонстрировали, что принцип электрической антенны с электроприводом может работать. Однако, чтобы разработать сравнительно сложную антенну Яги-Уда, им нужно было разработать новые концепции.

В конце концов, им удалось разработать усовершенствованный метод производства.

Мы бомбардировали золото ионами галлия, что позволило нам вырезать форму антенны со всеми отражателями и направляющими, а также необходимые соединительные провода из кристаллов золота высокой чистоты с большой точностью .

Берт Хехт, профессор и кафедра экспериментальной физики 5, Университет Вюрцбурга

Впоследствии физики поместили золотую наночастицу в качестве активного элемента так, чтобы она контактировала с одним проводом элемента, находясь на расстоянии всего 1 нм от другого провода.

« Этот промежуток настолько узок, что электроны могут пересечь его, когда на него подано напряжение, используя процесс, известный как квантовое туннелирование », – отметил Каллок. Это движение заряда вызывает колебания с оптическими частотами в антенне. Эти колебания излучаются в определенном направлении благодаря уникальному расположению отражателей и направляющих.

Точность зависит от количества директоров

Вюрцбургские физики были удивлены уникальным свойством своей инновационной антенны, которая излучает свет в определенном направлении, независимо от его небольшого размера. Подобно радиоволновым антеннам, «более крупным аналогам» новой оптической антенны, точность направленного светового излучения новой антенны определяется количеством элементов антенны.

Это позволило нам создать самый маленький в мире на сегодняшний день источник света с электрическим приводом, способный излучать свет в определенном направлении .

Берт Хехт, профессор и кафедра экспериментальной физики 5, Университет Вюрцбурга

Однако, прежде чем новое устройство может быть легко использовано на практике, требуются дополнительные исследования. Исследователи в первую очередь должны поработать над аналогом, который получает световые сигналы. Затем стабильность и эффективность устройства должны быть повышены.

Источник: https://www.uni-wuerzburg.de/en/universitaet/