Физики интегрировали оптические "щипцы" в кремниевый микрочип

18 октября 2012 года

Британские и китайские физики смогли разместить внутри кремниевого микрочипа особый излучатель - так называемую оптическую воронку, испускающую "закрученный" свет, который можно использовать для создания оптических "щипцов", захватывающих и перемещающих живые клетки или капли жидкости, говорится в статье, опубликованной в журнале Science.

"Наши микроскопические оптические воронки настолько малы и компактны, что кремниевые чипы с тысячами таких устройств можно изготавливать за очень небольшое время и деньги. Подобные интегральные схемы и устройства могут открыть новые сферы для применения оптических воронок, которые были невозможны при использовании обычной оптики", - заявил руководитель группы физиков Юй Сыюань (Yu Siyuan) из Бристольского университета (Великобритания).

Сыюань и его коллеги пытались создать миниатюрную версию оптической воронки - экзотического устройства, способного "закручивать" свет и заставлять его двигаться по спирали, а не по прямой линии. Как правило, подобные воронки представляют собой сложные опто-механические устройства, которые невозможно уменьшить до размеров, сопоставимых с микрочипами.

Авторы статьи решили эту проблему при помощи колец-резонаторов, основанные на эффекте шепчущих галерей, секрет которых известен человечеству еще со времен Средневековья. Этот феномен возникает в эллиптических или круглых помещениях - звук в окрестностях стен таких построек распространяется особым образом, благодаря чему даже тихий шепот можно легко услышать у стенки в противоположном конце здания.

Как объясняют Сыюань и его коллеги, шепчущие галереи способны генерировать "закрученное" электромагнитное излучение, однако его нужно извлечь и заставить двигаться по спирали. В ходе своих экспериментов физики перебрали несколько вариантов конструкции излучателя, пока не обнаружили, что с этой задачей справляется набор из зубцов со строго отмеренной толщиной и длиной, приклеенных к кольцу резонатора.

По словам исследователей, подобная структура генератора оптической воронки легко поддается миниатюризации и может быть уменьшена до нескольких микрометров. Такие размеры колец-резонаторов сопоставимы с габаритами транзисторов в современной микроэлектронике, что позволяет интегрировать их в кремниевые микрочипы в процессе их производства.

Для проверки работы воронок ученые изготовили микрочип с тремя резонаторами и подключили его к источнику питания. Как и ожидали физики, устройство генерировало три концентрических столба света, закрученных в спирали.

Сыюань и его коллеги полагают, что их изобретение может быть использовано для производства микроскопических "оптических щипцов", способных захватывать отдельные клетки, частицы вирусов, капли жидкостей или крупные молекулы белков. Кремниевые чипы с сотнями или тысячами подобных резонаторов будут многократно ускорять скорость анализа образцов в биологических лабораториях.

Как отмечают физики, сфера применения оптических воронок не ограничивается наукой - их можно использовать для кодирования и передачи информации через оптические системы связи, или в качестве одного из компонентов квантовых компьютеров.