ITMO大學科學家研究將納米硅應用在光信號超快調製器中！

首個展示光與硅納米粒子相互作用的三維（3D）動態模型是由ITMO（俄羅斯聖彼得堡機械與光學大學）大學的一個研究小組和他們的國際同仁合作共同製作的。他們使用了一台帶有圖形加速器的超級計算機來進行數據計算。

納米硅顆粒（圖片來源：ITMO大學）

試驗結果表明，當硅粒子暴露在短而強的激光脈衝中時，會瞬間失去對稱性，並導致硅粒子光學特性變得非常不均勻。這種性質的改變取決硅於粒子顆粒的大小;因此，可以這一特點用來調節納米級和超快信息處理設備中的光線。這項研究結果發表在Advanced Optical Materials雜誌上。

目前，計算設備的改進主要集中在提高信息處理速度上。納米光子學是可以通過光學儀器來解決這個問題的科學之一。雖然光信號的傳輸和處理速度要比電子信號快得多，但首先，掌握如何在小尺度上快速控制光的技術至關重要。為了這個目的，我們可以利用金屬粒子。金屬粒子能有效地定位光纖，但會削弱信號強度，造成巨大損失。

但是，我們可以使用像硅這樣的介電材料、半導體材料，而不是金屬材料。

目前，包括ITMO大學在內的世界各地的研究人員都在積極地研分析納米硅。這類研究的長期目標是開發超快、緊湊的光信號調節器。它們將來可能會成為未來計算機的基礎。然而，只有在研究人員了解納米粒子如何與光相互作用後這項技術才可能實現。

ITMO混合納米光電子實驗室主任Sergey Makarov說：「當一個激光脈衝衝擊粒子時，粒子內會形成大量的自由電子。這就形成了一個滿是相對帶電粒子的區域。通常稱這個區域為電子空穴等離子體。等離子體改變了粒子的光學特性，直到今天，人們仍相信它會在整個粒子上傳播，從而使粒子的對稱性得以保留。我們證明了並不是所有的情況都是這樣，等離子體均勻分布在粒子內部也不是唯一可能的情況。」

研究人員發現，由光和粒子相互作用所引起的電磁場具有更複雜的結構。這導致隨時間而變化的光產生扭曲。因此，粒子的對稱性受到干擾，光學性質在整個粒子中變得不均一。

ITMO納米光子學和超材料國際研究中心的工作人員Konstantin Ladutenk說：「通過分析和數值方法，我們第一次看到了粒子內部，並證明了發生在粒子內部的變化過程比我們想像中的要複雜得多。此外，我們發現，通過改變粒子的大小，我們可以影響它與光信號的相互作用。這意味著我們將有可能可以預測整個納米粒子系統的信號路徑。」

為了創造出一種研究納米粒子內部過程的工具，ITMO大學的科學家們聯合法國的國立簡-莫奈大學的同事們一起進行研究。

Konstantin Ladutenk說：「我們開發了分析方法來確定可能會改變離粒子光學性質的粒子大小範圍和該尺寸範圍內粒子的折射率。之後，我們使用強大的計算方法來監視粒子內部的變化過程。我們的同事用圖形加速器在一台計算機上進行計算。這種計算機通常用於電子加密貨幣的開採。但是，我們的選擇是用新知識充實人類，而不僅僅是豐富我們自己。此外，比特幣匯率當時才正好開始下降。」

基於這些納米粒子的設備可能成為光學計算機的標準元件，就像晶體管目前是電子元件的標準元件一樣。它們將使傳播和重定向或分支信號成為可能。

Sergey補充說道，「這種不對稱結構有各種各樣的應用，但我們關注的始終是信號的超快處理。現在，我們有了一個強有力的理論工具，它將幫助我們開發一種小型管理系統—在時間和空間上都可以進行小規模的操作。」

文章來自azonano網站，原文題目為Scientists Examine Silicon Nanoparticles for Application in Ultrafast Optical Signal Modulators，由材料科技在線匯總整理。

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