艺术家构想的超级透镜将激光束压缩成更容易控制的、更低波长的电磁振荡。向下滚动查看更准确的图形表示。来源:Daria Sokol/MIPT新闻办公室
等离子体纳米射流:物理学家实现等离子体子亚波长聚焦的有效机制。
俄罗斯和丹麦的研究人员首次对等离子体纳米射流进行了实验观察。这种物理现象使得纳米级的光聚焦成为可能，理论上，工程师可以绕过普通聚光透镜的基本限制之一。光波必须经过严格压缩，才能在比当今电子设备工作速度快得多的小型设备中用作信号载体。这项研究发表在2020年6月15日的《光学快报》上。
在激光笔出现之前，言情小说中的多情英雄们只能将就着用小石头砸向爱人的窗户来表示他们的存在。岩石作为信号载体的众多缺点之一是它们的质量，这意味着发送信息需要努力和时间。虽然电子没有岩石那么重，但它仍然不能瞬间运动。如果我们能更换的话用光子(光的无质量粒子)来取代微电路中的电子，由此产生的设备将运行得更快。
等离子体nanojet-based超透镜。当波长为λ的激光脉冲照射在金薄膜中的衍射光栅上时，会产生另一种类型的电磁激发，即表面等离子激元。它们沿着金薄膜传播，经过60%的压缩，经过方形纳米粒子时波长为0.6λ。这种所谓的等离子体纳米射流效应，在这项研究中首次被观察到，为将光定位到在快速和紧凑的光学计算机中使用变得可行提供了有趣的前景。来源:Daria Sokol/MIPT新闻办公室
阻碍工程师们放弃电子芯片而青睐光子模拟芯片的是对小型化的需求。以今天的技术，这样的光学设备将会有一个巨大的尺寸。为了使它们更小，工程师们需要一种方法来控制小尺度的光子，以至于光波本身必须被局部化，压缩到一个最小的空间里。理想情况下，光线需要聚焦到小于原始波长50%的光斑上。由于所谓的衍射极限，这一壮举在经典光学中是不可能的，但现代研究已经找到了几种绕过它的方法。而新近发现的等离子体纳米射流很有可能成为其中之一。
一个由俄罗斯和丹麦的物理学家组成的团队发明了一种聚焦组件，或称纳米透镜，它能够协同工作将光转换成一种特殊的电磁波，将其压缩到初始辐射波长的60%。这个新公司Ntraption由一块尺寸为5 × 5微米、厚度为0.25微米的方形介电材料组成。如图1所示，正方形粒子位于0.1微米的金薄膜上，旁边是一个可以衍射的刻蚀光栅。
论文合著者Valentyn Volkov正在使用近场显微镜。在这项研究中使用了这种装置，首次观测到了等离子体纳米射流。图片来源:Evgeniy Pelevin/MIPT新闻办公室
用激光照射金薄膜中的光栅会产生一种被称为表面等离子激元的激励，这种激励沿着金属表面传播。这些spp本质上是两种相互耦合并一起传播的波。首先，黄金中有电子的集体振荡——等离子体部分——然后还有一种表面光波，叫做极化子。将光转换为spp的关键在于，有一些方法可以将光聚焦到比初始激光脉冲更大的程度。
该论文的主要作者托木斯克理工大学的伊戈尔·米宁教授说:“亚波长聚焦的机制之一依赖于等离子体纳米射流，这是我们在实验中首次观察到的现象。”
关于波为何在超透镜中受到压缩的科学解释如下。“通过计算机模拟，我们计算出了黄金薄膜中介电粒子和衍射网格的适当尺寸。当这些参数正确时，spp在粒子的不同点有不同的相速度。这导致波前弯曲，在粒子中产生漩涡，因此在它后面有一个密集的spp区域，我们称之为等离子纳米射流，”该研究的合著者德米特里·波诺马廖夫说，他是MIPT二维材料和纳米器件实验室的首席研究员，也是俄罗斯科学院莫克罗夫超高频半导体电子研究所的副主任。
这项研究已经证明了一种新的和有效的机制，可以在纳米尺度上强定位辐射并操纵它，这是在光子和等离子体器件中密集封装光学元件的先决条件，将比传统电子器件运行得更快。
MIPT光子学和2D材料中心的负责人Valentyn Volkov是这项研究的合著者，他补充说:“等离子体纳米射流的实验观察是通过我们中心的研究人员以及莫斯科、托木斯克和哥本哈根的同事的共同努力而实现的。这项合作还没有结束，我们计划展示等离子体纳米射流的形成、传播和应用的其他令人兴奋的效果。”
