Проект создания одного из основных элементов квантовых компьютеров - генератора одиночных фотонов - одобрен консультативным научным советом фонда "Сколково". Такие генераторы ученые из ФИАНа и ИСАНа предлагают создавать на базе гиперболических метаматериалов.
Идея создания гиперболических метаматериалов, которые обычно получают путем чередования диэлектрических и металлических слоев нанометровой толщины (например, слоев Al2O3 и Ag), возникла как развитие идеи физика Виктора Веселаго о материалах с отрицательным показателем преломления (он выдвинул эту идею в 1967 году будучи сотрудником ФИАН). Для того, чтобы материал обладал отрицательным показателем преломления, его магнитная и диэлектрическая проницаемости должны быть одновременно отрицательны. Такие отсутствующие в природе материалы сейчас называют метаматериалами. В гиперболических метаматериалах, также отсутствующих в природе, ограничения накладываются только на тензор диэлектрической проницаемости, компоненты которого имеют как положительные, так и отрицательные значения. В таких метаматериалах отсутствует так называемый дифракционный предел, или, другими словами, распространение света в них возможно со сколь угодно высокими пространственными частотами.
"Если гиперболический метаматериал состоит из элементов с характерными размерами в 10 нанометров, то через него можно без затухания передавать изображение, элементы которого имеют размер порядка 10 нм. В обычных же материалах при распространении света сохраняются лишь детали изображения порядка 1 микрона", - рассказывает руководитель проекта, главный научный сотрудник ФИАН, доктор физико-математических наук Василий Климов.
Современные компьютеры работают на частоте порядка 1 ГГц, которой соответствует длина волны приблизительно 30 см, в то время как средний размер элементов процессора сейчас уже меньше 90 нанометров. Повышение частоты работы компьютеров до оптической позволит в миллионы раз повысить их производительность. Но для этого необходим переход на новую элементную базу. Один из вариантов развития информационных технологий (оптические и квантовые компьютеры) связан с получением и использованием большого количества (тысяч или даже миллионов) наноразмерных источников света и даже одиночных фотонов. Цель проекта, который будет осуществляться в Сколково, заключается в создании матрицы из наноразмерных источников света на основе гиперболических метаматериалов.
На гиперболический метаматериал, геометрия которого определяется методами трансформационной оптики, с помощью обычных микролинз подается свет. Микронного размера "пучки" от этих линз должны сфокусироваться и пройти, например, через золотую пленку с наноотверстиями. Как сделать так, чтобы свет сквозь эти отверстия проходил с наибольшей эффективностью - основная задача разработчиков на сегодняшний день. Для получения максимальной эффективности необходима "линза" из гиперболического метаматериала ("гиперлинза"), которая обеспечит максимальное попадание света в отверстия. С такой гиперлинзой наноразмерный источник света приобретает законченный вид, и может быть использован в схеме оптического компьютера или бионаносенсора.
"В каждом наноотверстии такого бионаносенсора или биочипа может быть расположен специальный биохимический препарат (например, заданная цепочка нуклеотидов), который реагирует только с конкретной составляющей требующего анализа биоматериала (например, с обнаруживаемым дефектным кусочком ДНК). Подсветив каждый элемент биопрепарата отдельным источником света, по изменениям в проходящем свете можно определить - произошла в этом отверстии реакция или нет, и сделать вывод о присутствии искомых молекул. Принципиально важно, что таким образом можно одновременно анализировать тысячи и тысячи участков цепочки ДНК", - объясняет принцип действия бионаносенсора Василий Климов.
Проект будет реализовываться в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН и в Институте спектроскопии РАН. В ФИАНе в Лаборатории Нанооптики под руководством доктора физ.-мат.наук Василия Климова будет разрабатываться идеологическая часть проекта и осуществляться математическое моделирование. Экспериментальная часть проекта будет реализовываться в Институте спектроскопии в Лаборатории Атомной нанооптики под руководством профессора Виктора Балыкина. Эта лаборатория является фактически единственной в России, способной проводить эксперименты мирового уровня в области нанооптики и метаматериалов.
Научное направление, к которому относится развивающийся проект, носит название "нанооптика, плазмоника и метаматериалы". Это крайне интересное, перспективное и, в то же время, требующее высочайшей квалификации направление. Факт, что ключевой вклад в его создание и развитие сделан именно учеными из России, особенно важен. Поэтому вполне закономерно, что проект Василия Климова, который также внес существенный вклад в развитие этого направления, получил поддержку на консультативном совете в Сколково. Представлял проект один из самых известных в мире специалистов по нанооптике и метаматериалам - наш соотечественник профессор Владимир Шалаев, который сейчас работает в Университета Пердью (США) и одновременно является членом консультативного научного совета фонда "Сколково".
С. Чуваева, АНИ "ФИАН-информ"
02.08.2012
