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【編者按】本文轉(zhuǎn)載自DeepTech深科技；編輯：崔超宇

最近，俄羅斯和美國的研究人員(俄羅斯圣彼得堡的物理和技術(shù)莫斯科研究所（MIPT）和得克薩斯州的奧斯汀大學(xué)ITMO)聯(lián)合開發(fā)了通過納米天線改變光方向的新技術(shù)。研究人員認(rèn)為，這種納米天線將把光信息處理技術(shù)推向新的高度。

光計(jì)算的首要前提是要用光子取代電子，需要一種簡單的光子的控制手段。相對來說，電子可以簡單地通過施加電場來對其進(jìn)行控制，而光子既不具有質(zhì)量也不具有電荷，要對其進(jìn)行控制不是一件簡單的事。導(dǎo)波管能夠容納光子并長距離地引導(dǎo)它向指定方向移動。納米天線的工作原理則不同，它不是引導(dǎo)光，而是按特定方向反射光子。像普通天線一樣，納米天線的方向性由材料和幾何形狀決定。

值得注意的是，這種納米天線可以對光子散射方向進(jìn)行控制。研究人員說，他們可以在不改變其物理尺寸的條件下，改變?nèi)肷涔獾纳⑸浞较颉?/p>

該國際研究小組在《激光與光子評論》（Laser &Photonics Reviews）發(fā)表文章，指出這個微小的（小于200*200*500納米）的硅基納米天線對光子的散射方向取決于光的入射波強(qiáng)度。

ITMO大學(xué)高級研究員Sergey Makarov在新聞稿中說：“利用這項(xiàng)新技術(shù)，我們可以用更快的速度改變光的傳播方向。”

ITMO研究人員對光子散射做了大量的研究工作，本次提出的納米天線由硅納米顆粒組成。當(dāng)硅納米顆粒受到激光照射時，它們會產(chǎn)生電子等離子體。這種電子等離子體與表面等離子體光子學(xué)領(lǐng)域所熟知的表面等離子體不同，該等離子體僅僅是一束傳導(dǎo)電子，當(dāng)它吸收光時會進(jìn)入到半導(dǎo)體導(dǎo)帶中。它們可以自由地通過半導(dǎo)體，直到它們失去能量并落入初始價帶。

在《IEEE Spectrum》的電子郵件采訪中，MIPT研究生Denis Baranov解釋說，“表面等離子體激元是這些自由電子的特殊振蕩形式，但是這些振蕩只有在自由電子的密度相當(dāng)大時才會產(chǎn)生，在我們的實(shí)驗(yàn)情況下沒有那么多電子。這些電子能產(chǎn)生表面等離子體，只是它們的密度不夠大。”

這種等離子體激發(fā)機(jī)制正是納米天線的光子偏轉(zhuǎn)工作原理。從本質(zhì)上說，入射光越強(qiáng)，光子偏轉(zhuǎn)角度越大，最大的光子偏轉(zhuǎn)角度是20度。

Baranov說：“一旦你確定了硅納米顆粒的粒徑和位置，那么光散射的方向是固定的。但是，當(dāng)在顆粒內(nèi)產(chǎn)生等離子體時（強(qiáng)脈沖照射），其折射率會發(fā)生變化，并因此改變整個納米天線的光學(xué)性質(zhì)。”

換而言之，等離子體會改變散射的方向。Baranov補(bǔ)充道：“人們可以認(rèn)為這只是稍微改變了粒子的材料——你改變了材料，但保持幾何形狀及尺寸不變，光的散射方向也隨之發(fā)生改變。”

同時，納米天線的關(guān)鍵技術(shù)在于讓一個硅納米顆粒發(fā)生諧振。這樣做是為了增強(qiáng)光束路徑的效果。

Baranov解釋說：“假設(shè)我們有一個由兩個相同粒子組成的納米天線。由于對稱性，它不能橫向散射光，只能向前散射。”

然而，當(dāng)一個粒子發(fā)生共振時，它會誘發(fā)等離子體產(chǎn)生，而其他非共振粒子沒有。這就為天線提供了所需的非對稱行為。

“現(xiàn)在你看到，相同的納米天線能夠根據(jù)入射強(qiáng)度向側(cè)面或向前散射光，”Baranov說。“對于弱脈沖，沒有等離子體產(chǎn)生，由于天線的不對稱性，它將光散射到側(cè)面。當(dāng)施加強(qiáng)脈沖時，諧振粒子內(nèi)會產(chǎn)生等離子體，天線因此變成‘對稱’的類型，進(jìn)而向前散射光子。

這種光學(xué)天線可以支持高達(dá)250GB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，有助于彌補(bǔ)光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸速率和電子數(shù)據(jù)處理速度之間的鴻溝?，F(xiàn)在，光纖電纜能以每秒數(shù)百千兆位的速度傳輸數(shù)據(jù)，而可惜的是，我們的電子計(jì)算機(jī)在這種速度下只能處理這些信號的一小部分。

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