Ученые объявили охоту за высокоиндексными материалами — Naked Science
13 минут
ФизТех

Ученые объявили охоту за высокоиндексными материалами

Для этого они провели сравнительный анализ различных материалов на предмет их применимости для диэлектрической нанофотоники.

Оптическая наноантенна
Оптическая наноантенна /Пресс-служба МФТИ

Коллектив физиков, среди которых исследователи из МФТИ и Университета ИТМО, провел сравнительный анализ различных материалов на предмет их применимости для диэлектрической нанофотоники. Результаты этого систематического исследования не только позволят эффективнее использовать известные материалы для создания оптических наноантенн, но и подталкивают к поиску новых.

Для излучения, приема и обработки сигнала, переносимого электромагнитными волнами, используются антенны — устройства, способные делать это эффективно. Обычно подразумеваются макроскопические установки для работы с радио- и микроволновым излучением. Однако похожие антенны существуют и для работы с оптическим излучением. Длина волны видимого света составляет сотни нанометров, что обуславливает нанометровый размер таких устройств. Оптические наноантенны, позволяющие фокусировать, направлять и эффективно излучать свет, обладают широким спектром приложений, от передачи информации по оптическим каналам и микроскопии до фотодетектирования, решения биомедицинских задач и даже ускорения химических реакций.

Чтобы антенна принимала и излучала сигнал желаемым образом, ее элементы должны обладать резонансами. В радиодиапазоне такими элементами являются отрезки проводов. В оптическом диапазоне в течение долгого времени в качестве подобных элементов использовались наночастицы из серебра или золота, обладающие плазмонными резонансами. Электромагнитные поля в таких частицах могут быть локализованы на масштабах всего лишь 10 нм и меньше, но из-за присущих металлам джоулевых потерь большая часть электромагнитной энергии расходуется на нагрев металла. Альтернативой плазмонным наночастицам являются активно изучаемые в последние пять лет частицы из диэлектриков с высоким показателем преломления в оптическом диапазоне (например, кремний). При определенном соотношении длины волны и диаметра частицы последняя способна поддерживать особые оптические резонансы, называемые резонансами Ми. Благодаря отличиям материальных свойств металлов и диэлектриков потери на нагрев в диэлектрических наноантеннах могут быть значительно меньше, чем в плазмонных аналогах.

Оптические резонансы в (а) плазмонной и (b) диэлектрической частицах

Ключевая характеристика материала, обуславливающая параметры резонанса Ми, — его показатель преломления. Частицы из материалов с более высоким показателем преломления обладают более добротными резонансами Ми — электромагнитные колебания в таких частицах существует дольше без внешнего возбуждения. Кроме того, диаметр резонансной частицы уменьшается с ростом показателя преломления, что позволяет создавать более миниатюрные оптические устройства. Эти факторы делают высокоиндексные материалы (т. е. обладающие высоким показателем преломления) более выгодными для реализации диэлектрических наноантенн.

В работе, опубликованной в журнале Optica, специалисты провели подробное систематическое исследование доступных высокоиндексных материалов в видимом и инфракрасном диапазонах с точки зрения резонансных характеристик. Набор таких материалов включает полупроводники и полярные кристаллы, такие как карбид кремния. В качестве наглядного параметра авторы выбрали Q-фактор (добротность) резонанса, который отражает, насколько быстро затухает возбужденный падающим светом резонанс.

Теоретический анализ позволил заключить, что на сегодня лучшим материалом для реализации диэлектрических антенн в видимом диапазоне является кристаллический кремний, в ближнем инфракрасном — германий. В среднем инфракрасном диапазоне, который крайне интересен для решения таких задач, как радиационное охлаждение (т. е. охлаждение нагретого тела за счет излучения электромагнитной энергии в окружающее пространство) и тепловой камуфляж (обратная задача — уменьшение свечения нагретого тела, которое можно видеть через тепловизор), лавры победителя достались сплаву германия и теллура (GeTe).

Ученые объявили охоту за высокоиндексными материалами
Сравнение различных высокоиндексных материалов в терминах добротности (Q-фактора), которая отражает скорость затухания резонанса Ми частицы. Большее значение Q соответствует медленному затуханию и более выраженному резонансному поведению частицы

Существуют и фундаментальные ограничения на величину Q-фактора. Дело в том, что высокий показатель преломления в полупроводниках связан с межзонными электронными переходами, на которых энергия падающего света неизбежно поглощается. Поглощение же ведет к уменьшению добротности и тому самому нагреву, с которым исследователи пытаются бороться. Таким образом, существует тонкий баланс между высоким показателем преломления и потерями.

«Особенностью работы является не только наиболее полная на сегодняшний день картина, дающая представление о том, какой высокоиндексный материал оптимален для изготовления наноантенны для данной спектральной области, но и проведенный анализ методов создания таких наноструктур, — отмечает Дмитрий Зуев, научный сотрудник лаборатории „Метаматериалы“ физико-технического факультета Университета ИТМО. — Таким образом, исследователь может выбрать не только материал, но и метод изготовления, оптимальный для данного материала с учетом решаемого круга задач. Это является важным инструментом для проектирования и экспериментальной реализации широкого класса устройств диэлектрической нанофотоники».

Обзор методов показал, что кремний, германий и арсенид галлия исследованы лучше всего. Резонансные наноантенны из этих материалов могут быть произведены множеством способов — от литографии и химических методов до лазерных. Но не для всякого сырья существуют технологии производства резонансных наночастиц. Так, ученым ещё предстоит научиться создавать наноантенны из теллурида германия, который, согласно теоретическому анализу, обладает самыми привлекательными свойствами в среднем инфракрасном диапазоне.

«Кремний, несомненно, сегодня является самым популярным материалом для создания диэлектрических наноантенн, — комментирует открытия аспирант МФТИ, один из авторов работы Денис Баранов. — Он доступен, технологии производства наноструктур из него хорошо налажены, и, что важно, он совместим с технологией CMOS, являющейся сегодня стандартом в полупроводниковой индустрии. Однако кремний — не единственная опция. Возможно, существуют материалы с еще более высоким показателем в оптическом диапазоне. Их открытие будет замечательной новостью для диэлектрической нанофотоники».

Результаты, полученные исследователями, будут полезны в области нанофотоники при разработке новых резонансных наноантенн на основе высокоиндексных диэлектрических материалов. Помимо этого работа подталкивает к теоретическому и экспериментальному поиску новых высокоиндексных материалов, которые позволят улучшить характеристики диэлектрических наноантенн. Такие материалы, например, могут значительно увеличить эффективность радиационного охлаждения солнечных батарей, что является важной технологической проблемой.

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.
Вчера, 19:28
9 минут
Мария Азарова

На фоне новостей о введении обязательной вакцинации для некоторых категорий жителей российских регионов встает логичный вопрос, а какой вакциной все же прививаться. И если о разработанном в Центре Гамалеи «Спутнике-V» в последние месяцы мы слышали многое, то по второму российскому препарату — «ЭпиВакКороне» — в международном научном журнале не публиковали и окончательных результатов исследований. Сегодня директор центра «Вектор» рассказал некоторые подробности о своей вакцине.

Позавчера, 16:11
3 минуты
Ольга Иванова

Специалисты из США провели исследование и узнали, что навязчивая мелодия, которая «застревает» в голове, выполняет важную функцию для мозга.

Вчера, 12:51
25 минут
Александр Речкин

Первые попытки изучения Марса землянами датируются второй половиной XX века, но они далеко не всегда были успешными. Осуществить мягкую посадку на Красную планету очень и очень непросто: последний провал в этой области произошел уже в XXI веке. Тем не менее земным ученым удалось многое разузнать. А насколько хороши ваши знания в этой сфере?

12 июня
58 минут
Николай Цыгикало

Грохот уходящих в космос ракет, гигантские столбы огня, колоссальная сила, превосходящая силу тяжести. Форсажный рев боевых самолетов. Самое громкое и мощное силовое устройство человека. Все это — канал особой формы и особых свойств, радикально изменивший человечество. В чем его суть и как происходит трудное рождение сверхзвука — читайте в нашем материале.

15 июня
4 минуты
Сергей Васильев

Галактические нити крупномасштабной структуры Вселенной тянутся на сотни миллионов световых лет — и, как оказалось, вращаются, увлекая в движение все свои галактики.

12 июня
9 минут
Василий Парфенов

Российские эпидемиологи считают, что в столице могла появиться своя разновидность вируса SARS-CoV-2. Кроме того, по мнению специалистов Центра имени Гамалеи, сейчас важным является индийский штамм коронавируса. По отношению к нему активность сывороток у вакцинированных и переболевших Covid-19 снижена в 2-3 раза.

24 мая
23 минуты
Ольга Иванова

«Сексуальную революцию совершили задние сиденья автомобилей», – заявил в свое время американский общественный деятель Джерри Рубин. И ошибся. Раскрепощение нравов происходило задолго до появления машин, причем много раз. Оно напоминает движение маятника. Как и почему вершились «секшал революшнс» и стоим ли мы на пороге нового витка сексуальности или же нас ждет ужесточение морали? Об этом – в нашем материале.

9 июня
4 минуты
Ольга Иванова

Международная команда исследователей изучила геологию и условия существования самого большого моря в истории планеты — Паратетиса.

27 мая
51 минута
Александр Березин

Хотя в прессе много пишут об исключительно редких «побочках» от вакцин, практика показывает, что бояться надо совсем другого. Самым страшным врагом привитого остается... коронавирус. Даже после вакцин Pfizer или Moderna от него иногда умирают — и подобных случаев уже сотни. Разумеется, среди непривитых таких на порядки больше, но погибшим и членам их семей от этого не легче. Еще хуже то, что две из трех российских вакцин, похоже, защищают от ковида намного слабее Pfizer и Moderna. Это довольно странно с учетом того, что третий российский препарат в этом плане не уступает западным аналогам. Почему российские власти финансируют миллионные тиражи слабой вакцины, имея в распоряжении вполне полноценную?

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

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: