nanofotoniikka

Nanofotoniikka on fotoniikan ala, joka tutkii valon ja aineen vuorovaikutusta nanometrisillä ja alle-diffraktioluokan rakenteilla. Sen tavoitteena on hallita valon kulkua, paikallistumista ja vuorovaikutuksia sekä suunnata optisia ilmiöitä pienissä, tiheissä ja energiatehokkaissa laitteissa.

Keskeisiä ilmiöitä ovat plasmoniikka, dielektriset nanorakenteet, fotoniset kristallit ja metamateriaalit. Plasmoniikka hyödyntää metallisten nanorakenteiden pinta-sädeplasmonien sidoskykyä, mikä paikallistaa ja vahvistaa sähkökenttiä. Dielektriset nanorakenteet tarjoavat matalat tappiot ja tarkan ohjauksen valoon. Fotoniset kristallit ja metamateriaalit muokkaavat valon kulkua esimerkiksi bandgap-ominaisuuksien, suunnatun faasin ja erilaisten modifikaatioiden kautta. Nanofotoniikassa käytetään sekä top-down- että bottom-up-valmistusmenetelmiä, kuten elektronisäteilylithografiaa, nanoimprint-kirjontaa sekä itse järjestäytyviä rakenteita.

Materiaalivalikoima kattaa piiin (Si), sekä III–V-materiaalit kuten galliumarsenidi (GaAs) ja indiumarsenidi (InP), ja 2D-materiaalit kuten grafiini ja molybdeenidisulfidi (MoS2). Sovellukset ulottuvat integroituihin optisiin piireihin, valokuitu- ja vapaata tilaa koskeviin viestintäkomponentteihin, sensorointiin ja biosovelluksiin, fotovoltaikkaan sekä kuvantamiseen ja kvanttitietojenkäsittelyyn yksittäisten fotonien lähteiden ja kvanttiprosessointien muodossa.

Haasteina ovat tappiot erityisesti metallikytkennöissä, valmistuksen toleranssit ja skaalautuvuus sekä integraatio elektroniseen rekisteriin. Nanofotoniikka kehittyy hybridien plasmoniikka–dielektri- ja 2D-materiaalien hyödyntämisen kautta, mikä lupaa tiiviitä ja monipuolisia optisia ratkaisuja.