До начала XIX века об этом веществе мало кто знал, а сейчас без него сложно представить современный мир. Найти его можно и в кармане прохожего, и в самых современных лабораториях. Речь, конечно же, о кремнии. За двести с лишним лет своего «общения» с человеком кремний подарил нам множество новых и удивительных технологий. Он нашел свое применение в металлургии, в химии, в биологии, и, самое главное, в электронике. Список применений кремния очень велик, но благодаря усилиям ученых из университета Суррея (Великобритания) он может пополниться еще одним пунктом. Они провели исследование, в котором установили, что кремний может быть использован в фотонике для создания устройства, которое сможет управлять несколькими световыми лучами. Что под этим подразумевается, как это работает, и какое практическое применение имеет данное открытие? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
Несмотря на свои заслуги перед компьютерными технологиями, для фотоники кремний, как правило, считается крайне плохим выбором. Изменить эту ситуацию можно за счет терагерцовой области электромагнитного спектра и за счет нелинейности.
Терагерцовое (ТГц) излучение это вид электромагнитного излучения, спектр частот которого расположен между инфракрасным и микроволновым диапазонами (3х1011—3х1012 Гц).
Нелинейность же является свойством динамической системы, свойства и характеристики которой зависят от ее состояния. К примеру, в линейной системе изменение амплитуды входящего сигнала на Х приводит к изменению выходного сигнала тоже на Х, а в нелинейной нет. Другими словами, изменения на выходе не пропорциональны изменениям на входе. Ярким примером нелинейной системы является хаос, который на первый взгляд кажется непредсказуемым и совершенно не вписывается в рамки линейных систем.
Таким образом мы имеем дело с нелинейной оптикой, которая изучает явления, возникающие при взаимодействии светового поля и вещества с нелинейной реакцией вектора поляризации на вектор напряженности электрического поля световой волны.
В рамках данного труда ученые отмечают, что нелинейности третьего порядка позволяют контролировать световой импульс в центросимметричных материалах, таких как кремний и диоксид кремния. Для достижения восприимчивости* третьего порядка (χ(3)L, где L — толщина материала) можно использовать вырожденное четырехволновое смешение*, что также позволяет оптически управлять обнаружением и испусканием фотонов.
Диэлектрическая восприимчивость* — мера способности вещества поляризоваться под действием электрического поля. Нелинейные восприимчивости относятся к анизотропным материалам, в которых восприимчивость не одинакова во всех направлениях, как у изотропных. В этих материалах каждая восприимчивость становится тензором (n+1) степени.
Четырехволновое смешение* — явление интермодуляции в нелинейной оптике, при котором взаимодействия между двумя или тремя длинами волн создают две или одну новую длину волны.С помощью пикосекундных импульсов от лазера на свободных электронах ученым удалось показать, что кремний, легированный P или Bi, имеет значение χ(3)L в ТГц области выше, чем любой другой материал в любом диапазоне длин волн.
Изображение №1
Итак, нелинейность низшего порядка в центросимметричных материалах равна χ(3). Она отвечает за вырожденное четырехволновое смешение (DFWM от degenerate four-wave mixing), при котором все четыре фотона имеют одинаковую энергию: два из которых возбуждаются, а два излучаются (схема выше). Отклик DFWM обладает потенциалом для применения в активных оптических средах (модуляторы, квантовые повторители и т.д.). Однако количественных измерений восприимчивости для прозрачных объемных материалов в ТГц области до сего момента практически нет, т.е. для любого материала в этом спектре частот на данный момент известно крайне мало значений χ(3).
Посему ученые решили поэкспериментировать с кремнием, который ранее уже пытались использовать для оценки χ(3), но безуспешно ввиду, скорее всего, проблем, связанных с количественной метрологией нелинейного ТГц диапазона.
Результаты исследования
В качестве опытных образцов использовался монокристаллический кремний (Si), легированный висмутом (Bi) или фосфором (P). Температура образцов в ходе опытов поддерживалась в диапазоне 5–10 К.
В ходе исследования были проведены опыты с использованием терагерцовых импульсов от лазера на свободных электронах как при включенном, так и при выключенном резонансе с 1s → 2p переходами в Si:P и Si:Bi при 10K.
В пределе плоской волны (т.е. для бесконечно длинных импульсов и бесконечно широких лучей) комплексная амплитуда поляризации генерируемого луча (P3) связана с комплексными амплитудами поля входных лучей (F1,2) внутри материала соотношением:
т.е. интенсивность выхода определяется посредством χ(3). Определение χ(3) в уравнении выше предполагает, что импульсного эксперимента внутренние энергии импульса (Ei) трех лучей (ki) связаны соотношением:
где Ec — постоянная, обратно пропорциональная χ(3)L, а L — толщина образца.
Ec представляет собой критическую энергию импульса, при которой выходная мощность станет равной входной. Посему необходимо оставаться ниже этой границы, чтобы не пришлось учитывать нелинейные эффекты более высокого порядка.
Изображение №2
E1 варьировалось в ходе опытов, но отношение E2 / E1 при этом оставалось фиксированным (график выше). При низкой энергии наблюдалась четкая кубическая зависимость. При высокой интенсивности в опытах с резонансом происходило насыщение из-за зависящего от интенсивности уменьшения времени дефазировки, что приводило к снижению χ(3).
Вдали от резонанса, но в пределе длинных импульсов, соотношение между Ec и χ(3) напрямую зависит от геометрии и длительности импульса и выглядит следующим образом:
где n — показатель преломления (в данном труде был установлен n = 3.4);
λ0 — длина волны в свободном пространстве;
Z0 — характеристический импеданс свободного пространства;
r0 и t0 — среднеквадратичные радиус пучка и продолжительность импульса.
Переменная f в формуле выше напрямую зависит от потерь, а также формы и длительности импульса относительно динамических временных масштабов системы. Если f = 1, то потери незначительны. Увеличение этого показателя сигнализирует об увеличении потерь и зависит от толщины образца.
В случае проведенных опытов, то при отсутствии резонанса f был немного выше единицы, что связано с короткими импульсами. Полученные экспериментальным путем значения Ec и рассчитанные значения f позволили получить χ(3)expt, т.е. ожидаемое значение χ(3).
Имея в своем распоряжении теоретические значения χ(3), ученые смогли провести сравнение с результатами своих опытов.
Кремний при низкой температуре напоминает водород. Энергия уменьшена, а размеры орбиталей увеличены за счет малой эффективной массы и большой диэлектрической проницаемости.
Опыты с резонансом и без него показали хорошее соответствие теоретическим предсказаниям за исключением небольшого расхождения. Разница между этими вариантами опытов была в том, что резонанс значительно уменьшает Ec и увеличивает χ (3) по сравнению с нерезонансными случаями.
Изображение №3
График выше демонстрирует набор когерентных измерений χ(3) в других материалах, системах и диапазонах частот. Если точнее, то отображены значения χ(3)L, так как именно эта величина была измерена в каждом случае.
Ученые отмечают, что материалы Дирака (например, графен) демонстрируют большие значения χ(3)L, но и резонансные межзонные процессы или процессы со свободными носителями в зависимости от химического потенциала. В таких случаях (когда присутствуют потери поглощения) объемная восприимчивость χ(3) не является особенно полезным показателем качества материала, поскольку выходная мощность изменяется нетривиальным образом в зависимости от толщины образца из-за тех же потерь.
В двумерных системах и системах с квантовыми ямами* наблюдались большие значения χ(3).
Квантовая яма* — потенциальная яма, которая ограничивает подвижность частиц с трех до двух измерений, из-за чего они могут двигаться только в плоском слое.Во всех этих случаях измеренный выходной сигнал нормируется по толщине, а чувствительность слоя (χ(3)L) очень мала по сравнению со значениями, полученными в первоначальных опытах, и остается такой даже в случае систем из множества слоев.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
Данное исследование изначально имело другую цель — изучение атомов фосфора в кристаллах кремния для возможного применения в квантовых компьютерах. Однако в ходе опытов было установлено, что атомы фосфора способны повторно излучать лучи практически такой же мощности, как и у лазера, который был на них направлен.
Подобные эффекты возможны за счет терагерцовой области электромагнитного спектра и за счет нелинейности, которую используют для управления лазерами (например, для перенаправления луча). Буквально волей случая ученые обнаружили, что кремний обладает самой сильной нелинейностью из когда-либо обнаруженных.
Несмотря на то, что опыты проводились на образцах, охлажденных до очень низкой температуры, в их результатах есть большой потенциал. Если полностью разобраться в том, как протекают исследуемые процессы, то можно их использовать для создания кремниевых процессоров с функцией управления световыми лучами посредством других лучей, что увеличит скорость и эффективность электронных коммуникаций.
Пока это лишь теории, подтвержденные немногочисленными опытами, однако ученые уверены, что в будущем им удастся разгадать секреты нелинейности кремния.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
