Исследователи из Массачусетского технологического института разработали нанотехнологические устройства, которые можно использовать для оптических вычислений и других задач, связанных с манипулированием видимым светом. Для этого они применили новую технологию, позволяющую создавать вакансии в любом участке материала, а затем сжимать его примерно до 1/2000 от первоначального объема.
Новая технология изготовления, известная как «имплозионная гравировка», позволяет исследователям наносить на гидрогель изображения с помощью фотолитографии. При разрешении около 800 нанометров эти изображения можно уменьшить до размера менее 100 нанометров.
Поскольку разрешение меньше длины световой волны, устройства могут преломлять свет особым образом, что позволяет им выполнять оптические вычисления.
«Чтобы использовать нанофотонные технологии в видимом свете, нам нужно создавать наноструктуры с размером элементов менее 100 нанометров. Только так мы сможем точно создать структуру, способную управлять видимым светом», — говорит Куансан Янг, бывший постдокторант Массачусетского технологического института, ныне доцент Вашингтонского университета и один из ведущих авторов нового исследования.
В своей статье исследователи продемонстрировали фотонное устройство, способное выполнять простую задачу по классификации цифр. По их словам, в будущих версиях его можно будет использовать для высокоскоростной визуализации и обработки информации.
Фотонные устройства, которые передают свет и управляют им, потенциально могут использоваться в качестве оптических компьютерных чипов и стать энергоэффективной альтернативой полупроводниковым чипам. Однако существующие методы создания трехмерных фотонных устройств пока не позволяют достичь разрешения в 100 нанометров, необходимого для передачи видимого света с длиной волны от 380 до 750 нанометров.
С помощью метода аддитивного производства под названием двухфотонная литография исследователи могут использовать свет для создания трехмерных наноструктур, но с разрешением более 100 нанометров. Другой метод, электронно-лучевая литография, позволяет наносить на кремниевый чип изображения с меньшим разрешением, но не создает трехмерные структуры.
Чтобы создать 3D-устройства с необходимыми характеристиками, исследователи расширили концепцию «имплозионного производства», разработанную в лаборатории Бойден в 2018 году, и создали новый метод под названием «имплозионная гравировка». При имплозионной гравировке лазер создает пустоты — крошечные полости, в которых отсутствует гидрогелевый материал, — в точно заданных местах. Эти пустоты обладают оптическими свойствами, отличными от свойств окружающего их гидрогеля. Затем гидрогель сжимается, чтобы уменьшить размер элементов до наномасштаба. Процесс вырезания начинается с погружения гидрогеля в фотосенсибилизирующий краситель. Затем исследователи с помощью лазера возбуждают фотосенсибилизатор в определенных местах геля, что, в свою очередь, приводит к образованию активных форм кислорода, которые разрушают связи, удерживающие гидрогель. В результате в этом месте образуется пустое пространство. После того как в гидрогеле был вырезан нужный узор, исследователи уменьшили его в два этапа. Сначала они погрузили его в раствор, содержащий ионы, из-за чего он уменьшился примерно в десять раз по всем направлениям. Чтобы уменьшить его еще больше и удалить водный раствор, гидрогель подвергли сверхкритической сушке, которая позволяет удалить жидкость из геля, не повредив его.
В конце процесса гидрогель сжимается более чем в десять раз по всем направлениям, что приводит к уменьшению его объема в 2000 раз.
Чтобы продемонстрировать универсальность этого метода, исследователи использовали его для создания нескольких трехмерных фигур, в том числе спирали и структуры, напоминающей крыло бабочки. Некоторые из этих структур слишком тонкие и имеют слишком высокое соотношение сторон, чтобы их можно было стабильно создавать с помощью обычной двухфотонной литографии.
Исследователи также создали устройство, которое может выполнять простое вычисление, известное как классификация цифр, — задача, которая традиционно используется для проверки работоспособности нейронных сетей. В ходе выполнения этой задачи устройству предъявлялась цифра, например 1 или 5, и оно должно было подсветить определенное место, чтобы показать, какая цифра была распознана.
Чтобы добиться этого, исследователи распределили вакансии по всему устройству таким образом, чтобы оно действовало как нейронная сеть. Расположение вакансий дифрагировало входной свет, когда он проходил через множество слоев структурированного гидрогеля, так что выходной свет определялся формой введенной в систему цифры.
Теперь исследователи планируют использовать те же принципы для создания оптических устройств, которые смогут классифицировать клетки в зависимости от их состояния при прохождении через микрофлюидное устройство. По их словам, это поможет выявлять редкие клетки, например циркулирующие опухолевые клетки, в образце крови.