Новым наноустройствам нужно не электричество, а свет

Физики и техники из Стэнфорда продемонстрировали устройство, оказывающее на фотоны примерно такое же действие, как магнит на электроны. Это может породить новый класс наноразмерных устройств, которые используют свет вместо электричества. Представленная система демонстрирует долгожданное коммуникационное устройство на основе света, успешно решающее ряд существующих проблем.

Так как фотоны не имеют электрического заряда, они могут свободно работать даже в сильных магнитных полях. Но вскоре все это может измениться. В статье, опубликованной в Nature Photonics, междисциплинарные команды из Университета Стэнфорда сообщают, что создали устройство, способное управлять потоком фотонов благодаря синтетическому магнетизму. В результате могут появиться совершенно новые устройства, которые используют свет вместо электричества - начиная от ускорителей и микроскопов до сверхбыстрых микрочипов.

"Это принципиально новый способ управления световыми потоками. Он представляет невиданные возможности для фотонных устройств", - говорит Шанхуй Фан, профессор электротехники, старший автор исследования.

Возможность использования магнитных полей для управления электронами - основополагающий принцип современной электроники. Но аналога для фотонов доселе не существовало. Когда электрон приближается к магнитному полю, он встречает противодействующую силу и идет по пути наименьшего сопротивления - совершает круговое движение вокруг поля. Точно так же новое устройство посылает фотоны в круговое движение вокруг искусственного магнитного поля.

Решение стэндфордцев использует последние исследования в области фотонных кристаллов - наноразмерных материалов, которые могут "запирать" фотоны внутри своих неоднородностей. В данном случае исследователи использовали для формирования фотонного кристалла сеть крошечных полостей в кремнии.

Экспериментаторы научились изменять радиус траектории фотона, меняя электрический ток, подаваемый на фотонный кристалл и управляя скоростью фотонов в системе. Этот двойной механизм обеспечил высокую точность контроля.

Процесс, на первый взгляд, опровергает СРТ-теорему, инвариантность взаимодействий при комбинированной инверсии и обращении времени. Для инженеров это означает, что у фотона, движущегося вперед, будут иные свойства, когда он будет двигаться назад. И это дает новые, перспективные технические возможности. "Нарушение этой симметрии очень важно, так как оно открывает новые способы управления светом. Мы можем, к примеру, полностью исключить движение фотонов назад, устранив тем самым отражения", - говорит Кижай Фанг, докторант кафедры физики университета Стэнфорда и первый автор исследования. В будущем это свойство означает, что мы сможем предотвратить потерю сигнала, общую беду всех видов электронной оптики и других механизмов управления светом.