来自ITMO大学(圣彼得堡)和莫斯科物理科学技术研究所(MIPT)的物理学家团队展示了硅纳米粒子在有效非线性光学操作中的潜力。

他们的工作为开发具有广泛功能的新型光学器件奠定了基础。这些基于硅纳米粒子的设备将允许入射光根据其强度在特定方向上透射、反射或散射。它们可以集成到微芯片中，在光通信线路和下一代光计算机中实现超快速全光信号处理。

非线性天线

宽光谱范围内的电磁波用于传输信息：从通过空气传输无线电信号的无线电波到电信中用于通过光纤传输数据的红外辐射和可见光。任何依靠电磁波进行信息传输和处理的设备的基本组成部分都是称为天线的设备，用于接收或发送特定方向的信号。通常，需要对输入信号进行灵活的处理。这需要使用可重新配置的天线，也就是说，其特性(例如它们的辐射模式)可以在信号处理过程中以特定的方式改变的天线。一种可能的解决方案依赖于使用非线性天线，它可以通过入射光本身进行切换。

这项研究的作者之一、MIPT的博士生丹尼斯巴拉诺夫对研究结果发表了评论：“开发这种可调谐天线以在红外和光学频率下工作是重中之重，但也是一项重大挑战”。如今，我们可以以令人难以置信的几百千兆比特/秒的速度通过光纤传输信息。然而，硅基电子设备无法以这种速度处理输入数据。工作在光波长的非线性纳米天线可以帮助我们解决这个问题，使超快全光信号处理成为可能。

硅纳米粒子

为了证明非线性开关，作者在ACS Photonics上发表了这篇论文，并研究了一种介质纳米天线——光共振球形硅纳米粒子。虽然各种大小的球形粒子都表现出共振，但粒子的大小决定了它的共振波长。在最长波长下可以观察到的第一种共振是磁偶极子共振。特定波长的入射光在粒子中感应出循环电流，这类似于闭合电路中流动的电流。由于硅的高折射率，直径接近100纳米的粒子在光频率下表现出磁偶极共振，这使得它们可用于增强纳米水平的各种光学效应。该团队在早期研究中使用硅纳米球共振来增强拉曼散射。

电子等离子体的产生控制了非线性硅纳米天线的光学特性。由于硅是半导体，正常情况下其导带中几乎没有电子。然而，暴露于具有高强度和非常短的持续时间(约100飞秒，即约10-13或万亿分之一秒)的激光脉冲会激发电子进入导带。这显著改变了材料的性质和硅纳米天线的行为，使其在入射脉冲的方向上散射光。因此，通过将粒子暴露在短而强的脉冲中，可以动态控制它们作为天线的行为。

为了证明超快纳米天线开关，作者进行了一系列实验，包括用短而强的激光脉冲照射一系列硅纳米粒子，并连续测量它们的透射率。研究人员观察到，这种结构的透射系数在100飞秒内变化了几个百分点，然后逐渐恢复到初始值。

在实验结果的基础上，研究人员继续开发了一个分析模型，该模型描述了纳米天线的超快非线性动力学，以及电子等离子体在硅中的产生和弛豫。根据这个模型，天线散射方向图的基本变化(图3)发生在非常短的时间内——大约100飞秒。在脉冲到达之前，粒子向前散射的能量和向后散射的能量几乎相同。然而，在短脉冲的驱动下，天线切换到几乎完全单向的前向散射。实验支持的理论预测表明，这种天线的带宽约为250千兆比特/秒，

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