Фізики побачили наноантени в новому світлі, що може допомогти розвитку цифрових технологій

 Вчені з МФТІ і Фізичного інституту імені Лебедєва РАН запропонували нову конструкцію оптичних антен для нанофотонних пристроїв, на основі срібних наночастинок і кадмієвих квантових точок, які випускають більш яскраве люмінесцентне випромінювання і при цьому мають менший часом реакції. Крім того, дослідники запропонували новий спосіб отримання мікрозображень антен, що дозволяє обійтися без використання методу «темного поля». Наноантени, в свою чергу, - це один з елементів, необхідний для створення квантових комп'ютерів. Крім того, вони можуть бути використані в органічних світлодіодах, з яких можна зібрати світлову поверхню або екран.

Вчені з МФТІ і Фізичного інституту імені Лебедєва РАН запропонували нову конструкцію оптичних антен для нанофотонних пристроїв, на основі срібних наночастинок і кадмієвих квантових точок, які випускають більш яскраве люмінесцентне випромінювання і при цьому мають менший часом реакції. Крім того, дослідники запропонували новий спосіб отримання мікрозображень антен, що дозволяє обійтися без використання методу «темного поля». Наноантени, в свою чергу, - це один з елементів, необхідний для створення квантових комп'ютерів. Крім того, вони можуть бути використані в органічних світлодіодах, з яких можна зібрати світлову поверхню або екран.

Робота опублікована в журналі Nanotechnology. Сучасна електроніка заснована на використанні електронів в якості носіїв інформації, проте класичні мідні дроти і доріжки на чіпах вже не можуть передавати інформацію з достатньою для сучасних процесорів швидкістю. Перехід від електронів до фотонам може вирішити цю проблему.

Нанофотонні пристрою становлять інтерес для застосування в області цифрових технологій - в великих дата-центрах, для мобільних сенсорних пристроїв, а також для аналогових оптичних сопроцессоров. Ключовий компонент таких пристроїв - наноантенн, здатна приймати випромінювання певної довжини хвилі і перетворювати його - міняти частоту, амплітуду або напрямок.

У 1985 році Джон Вессель показав, що в якості наноантени можна використовувати металеву наночастинку. Подальший розвиток технології призвело до створення нанопатч-антен. Назва «патч» походить від англійського «латочка» - металеві наночастинки розташовуються на металі, покритому шаром діелектрика, як заплатки на тканини

Під дією зовнішнього електромагнітного поля електрони в наночастинок зміщуються, утворюючи на краю частки негативний заряд, протилежний край при цьому набуває позитивний заряд, частка поляризується.

При цьому виникає електромагнітне поле, спрямоване протилежно зовнішньому, яке коливається в такт з падаючої на частку електромагнітної хвилею. Ці коливання фізики описують за допомогою спеціальної квазічастинки - плазмона. Якщо частота хвилі не перевищує певного значення, внутрішнє поле «екранує» наночастинку від зовнішнього, падаюча хвиля відбивається - звідси і характерний блиск, яким володіють метали. Якщо ж частота вище, електрони «не встигнуть» зреагувати - хвиля поглине або розсіється. Як і в будь-яких коливаннях, у нас є частота змушує випромінювання, при якій амплітуда максимальна - частота плазмонного резонансу.

«В результаті коливаються електрони в зазорі між металевою наночасткою і шаром металу створюють потужне електричне поле, що набагато перевершує зовнішнє. Знаходяться в цьому полі квантові точки, більш ефективно поглинають зовнішнє випромінювання, і, отже більш ефективно випромінюють.

Зменшення часу, за який відбувається випромінювання квантової точки відбувається за рахунок відкритого в 1964 році ефекту Парсел: помістивши квантову точку в резонатор з металевого шару і наночастинки, ми можемо змусити її випромінювати швидше », - пояснює Олексій Вітухновская, професор, завідувач лабораторією технологій 3D- друку функціональних мікроструктур МФТІ.

Фізики з лабораторії технологій 3D-друку функціональних мікроструктур МФТІ з колегами розробили конструкцію нанопатч-антени, яка дозволила скоротити паузу між опроміненням і люмінесцентним відповіддю в 60 разів (з 12 наносекунд до 0,2) і збільшити інтенсивність випромінювання в 330 разів. Крім того, вчені запропонували новий спосіб оптичного дослідження структури нанопатч-антен, заснований на перебудові довжини хвилі лазерного випромінювання.

Традиційний підхід має на увазі використання методу «темного поля», коли зразок підсвічується «збоку», і зображення формується розсіяним на ньому світлом. Основні мінуси темнопольной мікроскопії - підсвічування в широкому спектральному діапазоні, при цьому фокусна відстань для різних довжин хвиль буде різним, зображення буде виходити розмитим. Крім того, якщо в основному спостереження об'єкта ведеться в світлому полі, перебудовуватися в темне поле довго і незручно.

Запропонований авторами метод позбавлений цих недоліків - він заснований на тому, що наночастинок на металі поглинає падаюче випромінювання з частотою, близькою до частоти плазмонного резонансу, тому на зображенні частка буде виглядати темною плямою. Довжина хвилі, при якій відбувається плазмонний резонанс в срібній наночастинок на алюмінії близько 700 нм, тому при довжині хвилі лазера в 650 нм картинка виходить більш чіткою.

«Наноантенн - один з елементів, необхідний для створення квантових комп'ютерів. Квантові комп'ютери використовують джерела одиночних фотонів, що працюють на великих швидкостях - і нанопатч-антени можуть виступати в ролі такого джерела. Крім того, вони можуть бути використані в органічних світлодіодах, з яких, в свою чергу, можна зібрати світлову поверхню або екран », - коментує Станіслав Єлісєєв, старший науковий співробітник лабораторії технологій 3D-друку функціональних мікроструктур МФТІ. Дослідження підтримано Російським фондом фундаментальних досліджень.

Джерело