Фотонная революция: волна в форме нарвала делает свет миниатюрным

Электроника

Редакция сайта «Технологические инновации» — 06.11.2025

Секрет миниатюризации световых компьютеров кроется в волновой функции, напоминающей по форме нарвала, которая обеспечивает пространственное ограничение в соответствующем электромагнитном режиме и напрямую определяет силу взаимодействия света с материей. [Изображение: Вэнь-Чжи Мао и др. - 10.1186/s43593-025-00104-x]

Световые вычисления

Фотонные вычисления с их процессорами, использующими фотоны вместо электронов , уже в значительной степени продемонстрировали свои преимущества с точки зрения скорости и энергоэффективности по сравнению с электронными компьютерами.

Однако прежде чем вы сможете купить фотонный сотовый телефон или ноутбук, вам еще предстоит преодолеть ряд трудностей: оптические компоненты не могут конкурировать с полупроводниковой электроникой, когда дело касается миниатюризации .

Причина фундаментальна: принцип неопределённости Гейзенберга связывает пространственное ограничение света с его длиной волны, которая в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах может быть в тысячу раз больше длины волны электронов. Эта несовместимость привела к тому, что фотонные чипы оказались громоздкими.

Плазмоника предлагает способ обойти этот барьер, используя металлы для сжатия света до объёмов меньше длины волны. Однако металлы рассеивают энергию в виде тепла, что приводит к необходимости компенсации, которая препятствует эффективному и масштабному внедрению световых компьютеров.

Характеристики волны нарвала и способ её возникновения. [Изображение: Вэнь-Чжи Мао и др. - 10.1186/s43593-025-00104-x]

Волна в форме нарвала

Надежды на решительный толчок миниатюризации световых вычислений начали появляться в прошлом году, когда группа ученых из Пекинского университета в Китае разработала сингулярное уравнение рассеяния — новую теоретическую основу, показывающую, как свет можно ограничить до экстремальных масштабов в диэлектрических (изолирующих или непроводящих) материалах без потерь.

Опираясь исключительно на диэлектрические материалы, этот подход позволяет избежать омических потерь, открывая путь новому поколению компактных и энергоэффективных фотонных устройств.

Теперь та же группа исследователей продвинулась дальше в понимании этого явления, обнаружив, что необычайное ограничение, возможное благодаря сингулярному дисперсионному уравнению, возникает из нового класса электромагнитных собственных мод – особых волновых функций с профилем, напоминающим нарвала. Волна приобретает профиль, напоминающий профиль нарвала, или морского единорога, зубатого кита с длинным, прямым, закрученным винтом бивнем, похожим на рог, но на самом деле представляющим собой удлинённый верхний левый клык.

Эти волновые моды сочетают локальное усиление степенного закона с глобальным экспоненциальным затуханием, позволяя электромагнитным полям концентрироваться и сжиматься далеко за пределы обычных пределов, определяемых длиной волны.

Поняв это, команда получила в свое распоряжение все необходимые инструменты для демонстрации эффекта на практике.

Волна в форме нарвала создается диэлектрическими нанолазерами, использующими наноантенны атомных размеров. [Изображение: Юнь-Хао Оуян и др. - 10.1038/s41586-024-07674-9]

Миниатюризация фотоники

Затем Вэнь-Чжи Мао и его коллеги спроектировали, построили и экспериментально продемонстрировали работу трехмерного диэлектрического резонатора, способного ограничивать волны путем субдифракции во всех трех пространственных измерениях.

Используя измерения методом сканирования ближнего поля, они напрямую наблюдали волновые функции, напоминающие нарвала, чётко фиксируя их рост вблизи сингулярности по степенному закону и экспоненциальное затухание на больших интервалах. Достигнутый объём мизерен, всего 5 × ^{10⁻⁷ λ³} - лямбда соответствует длине волны света.

Эксперимент доказывает, что сингулярное дисперсионное уравнение порождает волновые функции в форме нарвала — экзотические моды, которые улавливают свет в экстремальных масштабах в диэлектриках без потерь, открывая то, что группа называет «сингулоникой», — новую нанофотонную парадигму, которая позволяет ограничивать свет в измерениях, намного меньших длины волны, а также управлять этим светом без потерь из-за рассеивания.

Этот прорыв обещает наконец-то повысить сверхэффективную обработку информации, открывая новые возможности в квантовой оптике и микроскопии , расширяя возможности получения изображений со сверхвысоким разрешением. В последнем случае группа уже использовала свой эксперимент для демонстрации новой технологии сканирующей оптической микроскопии ближнего поля, которую они назвали «сингулярным оптическим микроскопом», демонстрирующей беспрецедентное пространственное разрешение λ/1000.

Другие новости о:

Больше тем