Нано антенны для передачи данных

Направленные антенны преобразуют электрические сигналы в радиоволны и излучают их в определенном направлении, что позволяет повысить производительность и уменьшить помехи. Этот принцип, который полезен в радиоволновой технологии, также может быть интересен для миниатюрных источников света. В конце концов, почти вся интернет-связь использует оптическую связь. Направленные антенны для света могут использоваться для обмена данными между различными ядрами процессора с небольшими потерями и со скоростью света. Чтобы позволить антеннам работать с очень короткими длинами волн видимого света, такие направленные антенны должны быть сокращены до нанометрового масштаба.

Вюрцбургские физики положили начало этой технологии в новаторской публикации: в журнале « Nature Communications » они впервые описывают, как генерировать направленный инфракрасный свет с помощью электроприводной антенны Яги-Уда, сделанной из золота. Антенна была разработана рабочей группой по нанооптике профессора Берта Хехта, который возглавляет кафедру экспериментальной физики 5 в университете Вюрцбурга. Название «Яги-Уда» происходит от двух японских исследователей, Хидетсугу Яги и Синтаро Уда, которые изобрели антенну в 1920-х годах.

Применение законов оптической антенной технологии

Как выглядит антенна Яги-Уда для освещения? «По сути, он работает так же, как его старшие братья по радиоволнам», - объясняет доктор Рене Каллок, член команды по нанооптике. Подается переменное напряжение, которое вызывает вибрацию электронов в металле, и в результате антенны излучают электромагнитные волны. «Однако в случае антенны Яги-Уда это происходит не равномерно во всех направлениях, а из-за избирательной суперпозиции излучаемых волн с использованием специальных элементов, так называемых отражателей и направляющих», - говорит Куллок. «Это приводит к конструктивному вмешательству в одном направлении и разрушительному вмешательству во всех других направлениях». Соответственно, такая антенна будет способна принимать свет, приходящий только в том же направлении, когда работает как приемник.

Применение законов технологии антенн к антеннам нанометрового масштаба, которые излучают свет, технически сложно. Некоторое время назад вюрцбургские физики уже смогли продемонстрировать, что принцип работы электрической антенны с световым приводом работает. Но чтобы сделать относительно сложную антенну Яги-Уда, им пришлось придумать несколько новых идей. В конце концов, они преуспели благодаря сложной технологии производства: «Мы бомбардировали золото ионами галлия, что позволило нам вырезать форму антенны со всеми отражателями и направляющими, а также необходимые соединительные провода из кристаллов золота высокой чистоты с большой точностью "объясняет Берт Хехт.

На следующем этапе физики разместили наночастицу золота в активном элементе так, чтобы она касалась одного провода активного элемента, сохраняя при этом расстояние всего одного нанометра до другого провода. «Этот зазор настолько узок, что электроны могут пересекать его, когда на него подается напряжение, используя процесс, известный как квантовое туннелирование», - объясняет Каллок. Это движение заряда генерирует колебания с оптическими частотами в антенне, которые излучаются в определенном направлении благодаря особому расположению отражателей и направляющих.

Точность зависит от количества директоров

Исследователи Вюрцбурга очарованы необычным свойством своей новой антенны, которая излучает свет в определенном направлении, хотя она очень мала. Как и в их «более крупных аналогах», в радиоволновых антеннах, точность направления излучения света новой оптической антенны определяется количеством антенных элементов. «Это позволило нам создать самый маленький в мире на сегодняшний день источник света с электрическим приводом, способный излучать свет в определенном направлении», - уточняет Хехт.

Однако предстоит еще проделать большую работу, прежде чем новое изобретение будет готово для использования на практике. Во-первых, физики должны работать над аналогом, который получает световые сигналы. Во-вторых, они должны повысить эффективность и стабильность.