Физики увидели наноантенны в новом свете, что может помочь развитию цифровых технологий — Naked Science
26.11.2020
ФизТех

Физики увидели наноантенны в новом свете, что может помочь развитию цифровых технологий

4.5

Ученые из МФТИ и Физического института имени П. Н. Лебедева РАН предложили новую конструкцию оптических антенн для нанофотонных устройств, на основе серебряных наночастиц и кадмиевых квантовых точек, которые испускают более яркое люминесцентное излучение и при этом обладают меньшим временем реакции. Кроме того, исследователи предложили новый способ получения микроизображений антенн, позволяющий обойтись без использования метода «темного поля». Наноантенны, в свою очередь, - это один из элементов, необходимый для создания квантовых компьютеров. Кроме того, они могут быть использованы в органических светодиодах, из которых можно собрать световую поверхность или экран.

Физики увидели наноантенны в новом свете, что может помочь развитию цифровых технологий / ©Getty images

Работа опубликована в журнале Nanotechnology. Современная электроника основана на использовании электронов в качестве носителей информации, однако классические медные провода и дорожки на чипах уже не могут передавать информацию с достаточной для современных процессоров скоростью. Переход от электронов к фотонам может решить эту проблему.

Нанофотонные устройства представляют интерес для применения в области цифровых технологий — в крупных дата-центрах, для мобильных сенсорных устройств, а также для аналоговых оптических сопроцессоров. Ключевой компонент таких устройств — наноантенна, способная принимать излучение определенной длины волны и преобразовывать его — менять частоту, амплитуду или направление.

В 1985 году Джон Вессель показал, что в качестве наноантенны можно использовать металлическую наночастицу. Дальнейшее развитие технологии привело к созданию нанопатч-антенн. Название «патч» происходит от английского «заплатка» — металлические наночастицы располагаются на металле, покрытом слоем диэлектрика, как заплатки на ткани (рисунок 1).

Рисунок 1. (а, с) Схематическое устройство нанопатч-антенны. На стекло нанесен слой металла – алюминия, который, окисляясь, покрывается пленкой Al2O3, являющегося диэлектриком. Далее нанесен слой квантовых точек – небольших кристаллов сульфида или селенида кадмия, способных под воздействием электромагнитного излучения испускать свет определенной длины волны. Выше расположены кубические наночастицы серебра размером 80 нм / ©Nanotechnology

Под действием внешнего электромагнитного поля электроны в наночастице смещаются, образуя на краю частицы отрицательный заряд, противоположный край при этом приобретает положительный заряд, частица поляризуется.

Рисунок 2. Возбуждение локального поверхностного плазмонного резонанса электрическим полем (А) и распределение интенсивности поля вокруг наночастицы с возбужденным плазмоном (Б) / ©«Успехи биологической химии», т. 55, 2015, с. 391–420, «Детекция межмолекулярных взаимодействий, основанная на регистрации поверхностного плазмонного резонанса», Д. В. Сотников, А. В. Жердев, Б. Б. Дзантиев

При этом возникает электромагнитное поле, направленное противоположно внешнему, которое колеблется в такт с падающей на частицу электромагнитной волной. Эти колебания физики описывают с помощью специальной квазичастицы — плазмона. Если частота волны не превышает определенного значения, внутреннее поле «экранирует» наночастицу от внешнего, падающая волна отражается – отсюда и характерный блеск, которым обладают металлы. Если же частота выше, электроны «не успеют» среагировать — волна поглотится или рассеется. Как и в любых колебаниях, у нас есть частота вынуждающего излучения, при которой амплитуда максимальна — частота плазмонного резонанса.

«В результате колеблющиеся электроны в зазоре между металлической наночастицей и слоем металла создают мощное электрическое поле, намного превосходящее внешнее. Находящиеся в этом поле квантовые точки, более эффективно поглощают внешнее излучение, и, следовательно более эффективно излучают.

Уменьшение времени, за которое происходит излучение квантовой точки происходит за счет открытого в 1964 году эффекта Парсела: поместив квантовую точку в резонатор из металлического слоя и наночастицы, мы можем заставить ее излучать быстрее», — поясняет Алексей Витухновский, профессор, заведующий лабораторией технологий 3D-печати функциональных микроструктур МФТИ.

Физики из лаборатории технологий 3D-печати функциональных микроструктур МФТИ с коллегами разработали конструкцию нанопатч-антенны, которая позволила сократить паузу между облучением и люминесцентным ответом в 60 раз (с 12 наносекунд до 0,2) и увеличить интенсивность излучения в 330 раз. Кроме того, ученые предложили новый способ оптического исследования структуры нанопатч-антенн, основанный на перестройке длины волны лазерного излучения.

Традиционный подход подразумевает использование метода «темного поля», когда образец подсвечивается «сбоку», и изображение формируется рассеянным на нем светом. Основные минусы темнопольной микроскопии — подсветка в широком спектральном диапазоне, при этом фокусное расстояние для разных длин волн будет разным, изображение будет получаться размытым. Кроме того, если в основном наблюдение объекта ведется в светлом поле, перестраиваться в темное поле долго и неудобно.

Рисунок 3. Предложенная учеными схема микроскопии в свете слегка рассеянного лазерного излучения / ©Nanotechnology

Предложенный авторами метод лишен этих недостатков — он основан на том, что наночастица на металле поглощает падающее излучение с частотой, близкой к частоте плазмонного резонанса, поэтому на изображении частица будет выглядеть темным пятном. Длина волны, при которой происходит плазмонный резонанс в серебряной наночастице на алюминии около 700 нм, поэтому при длине волны лазера в 650 нм картинка получается более четкой.

Рисунок 4. а) изображение серебряных наночастиц на стекле, полученное методом темного поля, b) и при помощи предложенного метода, c) изображение серебряных наночастиц на металле, полученное при освещении образца лазерным излучением с длиной волны 530 нм, d) – и 650 нм / ©Nanotechnology

«Наноантенны — один из элементов, необходимый для создания квантовых компьютеров. Квантовые компьютеры используют источники одиночных фотонов, работающие на больших скоростях — и нанопатч-антенны могут выступать в роли такого источника. Кроме того, они могут быть использованы в органических светодиодах, из которых, в свою очередь, можно собрать световую поверхность или экран», — комментирует Станислав Елисеев, старший научный сотрудник лаборатории технологий 3D-печати функциональных микроструктур МФТИ. Исследование поддержано Российским фондом фундаментальных исследований.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
2 часа назад
Мария Азарова

Генеральный конструктор «Энергии» и руководитель полета российского сегмента МКС Владимир Соловьев назвал причину незапланированного включения двигателей нового модуля «Наука», из-за которого станцию развернуло на 45 градусов.

Вчера, 20:57
Илья Ведмеденко

По словам космонавта Олега Новицкого, на новом российском модуле «Наука» незапланированно включились двигатели.

Вчера, 18:47
Мария Азарова

Антитела, вырабатываемые организмом в ответ на коронавирус, активируют повышенную функцию тромбоцитов. Это может вызывать смертельные тромбы у пациентов с тяжелой формой болезни. Авторы нового исследования предложили решение проблемы.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

25 июля
Мария Азарова

Ученые подтвердили связь между коронавирусной инфекцией и снижением когнитивных способностей на основе анализа данных более чем 81 тысячи человек.

27 июля
Сергей Васильев

Окаменелости возрастом более 3,4 миллиарда лет могут быть остатками микробов-архей, живших и выделявших метан у гидротермальных источников на дне ископаемого моря.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: