Изучен оптический эффект, который поможет создать новые сенсоры

❋ 4.6

Ученые Сибирского федерального университета в составе международного научного коллектива впервые экспериментально обнаружили хиральный таммовский плазмон-поляритон, локализованный на границе холестерического жидкого кристалла и метаповерхности. На основе обнаруженного эффекта можно сконструировать целый спектр новых устройств фотоники, в частности, био- и температурные сенсоры, позволяющие получать данные анализа в домашних условиях, а также лазерные радары и микролазеры с «закрученным» лучом.

СФУ

# кристаллы

# оптика

# оптический эффект

# поляризация

# сенсоры

Хиральные фотонные структуры на крыльях бабочки / ©Getty images / Автор: Павел Сорокин

Классический таммовский плазмон-поляритон — это световая волна, «запертая» между тонкой металлической пленкой и многослойным отражателем. Такая волна становится хиральной, когда в качестве отражателя используется среда, не обладающая зеркальной симметрией. Например, холестерический жидкий кристалл, состоящий из ориентированных продолговатых молекул, направление которых «закручивается» в пространстве подобно винтовой спирали, похожей на спираль ДНК.

Металлическое зеркало в этом случае малопригодно, потому что при отражении от него волна меняет направление поляризации. Например, падающий свет правой круговой поляризации отражается уже с левой круговой поляризацией. По этой причине световая волна не «запирается», а постоянно «просачивается» сквозь жидкий кристалл. Эту проблему можно решить, заменив металлическую пленку на метаповерхность – искусственно созданный массив метаатомов – субволновых элементов, размеры которых меньше длины волны света.

Сибирские исследователи показали, что длину волны хирального таммовского плазмон-поляритона можно перестраивать за счет изменения температуры окружающей среды. По мнению ученых, этот эффект может лечь в основу современных сенсоров для проведения медицинских анализов. Статья опубликована в авторитетном журнале Materials.

«Нами была изготовлена метаповехность, состоящая из золотых нанокирпичей 190 на 70 на 70 нанометров, расположенных на 100-нанометровом слое диоксида кремния (SiO₂), нанесенного на отражающую золотую пластинку толщиной 200 нм. При этом нанокирпичи развернуты на 45 градусов относительно ориентации жидкого кристалла.

Соединение такой метаповерхности с холестерическим жидким кристаллом позволило «запереть» свет с правой круговой поляризацией, в то время как лево-поляризованный свет смог беспрепятственно «утекать» через структуру», — объяснил доцент кафедры электротехнологии и электротехники, научный сотрудник лаборатории нанотехнологий, спектроскопии и квантовой химии Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ Рашид Бикбаев.

Исследователи также продемонстрировали, как можно изменить длину волны хирального таммовского плазмон-поляритона, регулируя температуру окружающей среды. Например, повышение температуры всего на три градуса (с 26^о до 29^о С) смещает длину волны локализованного состояния более чем на 100 нанометров.

«В природе хиральные фотонные структуры можно наблюдать на синеватых листьях папоротника и еловой хвое, в кожице некоторых ягод и блестящих на солнце покровах жуков и бабочек. В то же время, экспериментальная реализация искусственных аналогов таких структур — кропотливая и трудоемкая работа. Строится теоретическая модель, находятся подходящие материалы и технологии. В случае хиральных таммовских плазмон-поляритонов нами было испробовано несколько экспериментальных схем с различными типами анизотропных зеркал на основе нанокомпозитов, мультислоев, метаповерхностей.

И вот, после пяти лет поисков, эта красивая идея нашла свое воплощение», — рассказал руководитель научного коллектива с российской стороны, профессор кафедры теоретической физики и волновых явлений, заведующий лаборатории нанотехнологий, спектроскопии и квантовой химии Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ Иван Тимофеев. В состав научного коллектива также вошли ученые Института физики имени Л. В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН и Национального университета Ян-Мин Чао-Тун (Тайвань).

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Сибирский федеральный университет — высшее учебное заведение, расположенное в Красноярске. Первый в России федеральный университет. Крупный научно-исследовательский и образовательный центр в России. Крупнейший университет восточной части России.