前沿丨用于光计算：可控制光散射硅基纳米天线

在发表于《激光与光子学的评论》杂志上的一篇文章中，研究人员设计了一种新型的非线性纳米天线，其可以根据入射波强度进行改变光的散射方向。一组彼得堡国立信息技术机械与光学大学、莫斯科物理技术学院和得克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家，已经开发出了一个非常规的纳米天线，能够取决于入射辐射强度进行光的特定方向的散射。该项研究结果将有助于电信系统中的灵活的光学信息处理的发展。

光子作为电磁辐射的载体，既没有质量，也没有电荷。这意味着，光是相对难以控制的，不像例如电子那样可以通过施加恒定的电场进行控制。然而，一些如纳米天线等设备能够一定程度上实现电磁波的传播控制。一个需要“先进”的光处理的领域即发展光学计算机。在这些设备中，信息不是由电子携带的，而是由光子携带的。使用光而不是带电粒子有可能大大提高传输和处理信息的速度。实现这种类型的电脑需要一种具有在某种程度上施加一个恒定的电场或磁场或通过改变入射光的强度，就可进行操纵的特点的例如特定的纳米天线设备。

发表在《激光与光子学的评论》杂志上的一篇文章中，研究人员设计了一种新型的非线性纳米天线，其可以根据入射波强度进行改变光的散射方向（图1）。该研究提出的纳米天线的核心是硅纳米颗粒，其在严格的激光辐射下可产生电子等离子体。作者以前证明了使用这些纳米粒子进行非线性和超快控制光的可能性。研究人员然后设法操纵部分光进行前向和后向的辐射散射。现在，通过改变入射光的强度，他们已经找到了一种方法来把一个散射光约束在所需的方向。

旋转的纳米天线的辐射模式，采用硅等离子体激励机制。该研究中的纳米天线是一个直径不等的二聚体两硅球。利用弱激光进行照射，该天线将由于其不对称的形状进行光线的散射（如图2A蓝图）。可进行两个纳米粒子直径的选择，使一个粒子在激光的波长处实现共振。在强激光脉冲的照射下，会在共振粒子中产生电子等离子体，这会导致粒子的光学性质的变化。而其它的粒子是非共振的，强大的激光场对其的影响很小。一般来说，通过准确选择两个粒子的相对大小以及入射光束等参数（持续时间和强度）进行组合，甚至有可能让粒子几乎是相同的大小，从而天线会让光束反射（在图2a红色）。

“现有的光学纳米天线可以在相当宽的范围内进行光的控制。然而，这种能力通常是由于在它们的结构和组成它们的材料所带来的，因此它是不可能在任何时候进行配置这些特点的，”Denis Baranov说，他是莫斯科物理技术学院的研究生且是论文的第一作者。“然而我们研究的这种纳米天线的性质，是可以动态修改的。当我们用微弱的激光脉冲照射它时，我们会得到一个结果，但当用一个强烈的脉冲时，结果会是完全不同的。”科学家们对光的散射机理的数值模拟如图2（b）。仿真结果表明，当纳米天线由微弱的激光束进行照射时，光会散射到天线一侧。然而，当用强激光脉冲进行照射纳米天线时，会导致装置内的电子等离子体的散射图案旋转20度（红色线）。这就提供了一个实现入射脉冲在不同方向偏转弱或强的方法。

Sergey Makarov，他是彼得堡国立信息技术机械与光学大学纳米光子学和材料系的资深研究员，他说“在这项研究中，我们集中研究在测量尺寸小于200×200×500纳米的纳米光学芯片。这远小于一个携带信息的光子的波长。新的设备将使我们能够以相比基于电子的类似设备更好的速度上进行光的传播方向的改变。我们的设备将能够实现很短的时间内将一个信号分配到两个光信道，这对于现在通信系统来说是十分重要的。”

今天通过光纤进行信息的传播的速度已达到几百Gbit /s，而利用现代这些单个元件只有几个Gbit / s的速度的电子设备进行信号的处理非常慢。这里提出的非线性光学纳米天线可以解决这个问题，因为它工作在250 Gbit/s，这为光学信息的快速处理提供了方法。由研究人员开发的非线性天线提供了在纳米量级进行控制光的更多的机会，这也将是成功开发光子计算机和其他类似的设备所必需的。