Ученые-физики МГУ исследовали оптическую связь между наночастицей и волноводом и показали, что изменение расстояния влияет на условия возбуждения магнитного резонанса. Это изучение оптических свойств наноматериалов существенно в области нанофотоники.
Кирилл Охлопков - аспирант кафедры квантовой электроники и младший научный сотрудник Центра квантовых технологий МГУ
Наночастицы могут проявлять сильные резонансы, которые зависят от их окружения и от близости к ним других наноструктур. Поэтому нужно понять, как контролировать эти резонансы, чтобы определить степень проявления возможностей оптических свойств наноединиц. Российские физики раскрыли два режима оптической связи. Для этого они разместили кремниевые нанодиски на расстоянии меньше, чем 200 нм от наностержня и наблюдали, каково их резонансное влияние на структуру локальных полей. В результате происходила модификация структуры локальных полей, что вызывало модуляцию нелинейно-оптического отклика (сигнала третьей гармоники) с коэффициентом до 4.5. Результаты проведённых экспериментов и численных расчётов учёные представили в рецензируемом научном журнале ACS Photonics (2019, 6, 1, 189-195).
Кирилл Охлопков - аспирант кафедры квантовой электроники и младший научный сотрудник Центра квантовых технологий МГУ - рассказал, в чём состояло изучение фотонных элементов и что было выявлено в ходе экспериментальных методик. Этот проект явился продолжением предыдущей работы научной группы его коллег-физиков МГУ в области исследования полностью диэлектрических наночастиц (в частности, изучения их нелинейно-оптического отклика).
«В данной работе мы изучали взаимодействие кремниевой частицы с одним из главных объектов интегральной нанофотоники – кремниевым волноводом. Для того чтобы заменить современные чипы, работающие на электронах, фотонными элементами с производительностью на порядки быстрее, важно не только передавать оптический сигнал по волноводам, но и уметь переключать его. Для этой цели мы рассмотрели, как присутствие диэлектрической наночастицы влияет на излучение, распространяющееся по кремниевому волноводу».
В оптических волноводах при изменении расстояния между кремниевым волноводом и диэлектрической наночастицей возникли специфические эффекты. «Нашей группой было впервые обнаружено влияние диэлектрической наночастицы на пропускание кремниевого волновода. Если взять кремниевую наночастицу размером порядка длины волны, делённую на показатель преломления кремния, то в этой наночастице будет возбуждаться магнитный дипольный резонанс. Далее, если такую частицу близко поднести к кремниевому волноводу, то свет, распространяющийся по волноводу, будет чувствовать наличие рядом резонансной наночастицы, что приведёт к изменению пропускания света в нём. Таким образом, располагая на близких расстояниях рядом с волноводом резонансную наночастицу, мы можем модулировать пропускание света в нём», - пояснил Охлопков.
На левой картинке схематично изображена генерация третьей гармоники в нанодиске: на структуру падают фемтосекундные инфракрасные импульсы, а детектируется сигнал на утроенной частоте накачки. На правой картинке представлено типичное изображение сигнала третьей гармоники, полученное в эксперименте при одновременной засветке нанодиска и наностержня, соответствующее максимальной интенсивности сигнала.
В экспериментальных исследованиях, которые проходили в МГУ в течение 2 лет, по словам молодого специалиста, «решалась задача детектирования степени оптической связи между кремниевой наночастицей и волноводом, косвенным методом – по изменению нелинейно-оптического отклика структуры в зависимости от расстояния между рассматриваемыми нанообъектами при падении на них сильно сфокусированных лазерных импульсов длительностью порядка 100 фемтосекунд». Кроме того, велось численное исследование, необходимое, как отметил Охлопков, «для объяснения результатов эксперимента и понимания полной картины рассматриваемого эффекта».
Примечательно, что в этой работе физики совместили сразу несколько экспериментальных методик: микроскопию генерации третьей оптической гармоники и конфокальную микроскопию. Кирилл Охлопков объяснил, что суть первой состоит в том, что «засвечивая наноструктуры лазером, внутри них может многократно усиливаться электрическое поле, что, в свою очередь, приводит к сильному отклику на длине волны в три раза меньшей, чем падающая. Таким образом, данный метод позволяет детектировать даже незначительное изменение величины электрического поля внутри наноструктуры». «Конфокальная микроскопия – одна из разновидностей оптической микроскопии, она позволяет повысить контраст и пространственное разрешение изображения за счёт использования точечной диафрагмы, зарезающей лишний фоновый свет».
(a) Схема экспериментальной установки, совмещающей в себе метод микроскопии третьей гармоники и конфокальную микроскопию. Изображения, получаемые в ходе эксперимента в случае, когда лазер светит: (b) на подложку, (с) на наностержень, (d) на наностержень и нанодиск одновременно.
Руководил проектом Андрей Анатольевич Федянин (МГУ, физический факультет) вместе с Максимом Радиковичем Щербаковым (МГУ, физический факультет и Корнеллский университет). Они подали идею данного исследования, контролировали его и помогали на всех этапах реализации. Николай Александрович Орликовский (МГТУ им. Баумана) изготавливал данные структуры. Александр Анатольевич Ежов (МГУ, физический факультет) выполнял экспериментальные исследования. Шафирин Павел Андреевич (МГУ, физический факультет) занимался численным моделированием. Охлопков Кирилл Игоревич (МГУ, физический факультет) занимался экспериментом и численным моделированием. Все авторы также участвовали в обсуждении полученных данных и в написании статьи.
Как результат, физики МГУ применили свой опыт нелинейно-оптических исследований полностью диэлектрических Ми-резонансных наночастиц к изучению их оптической связи с кремниевыми наностержнями, которые могут работать как оптические волноводы. Учёные обнаружили, как влияние наностержня на условия резонанса наночастицы, так и обратное влияние наночастицы на волноводные моды.
«Мы надеемся, что данное исследование послужит важным шагом для интеграции нового класса наноструктур – полностью диэлектрических наночастиц – на фотонные чипы, так как в своей работе мы изучали взаимодействие таких частиц с реальным элементом интегральной нанофотоники – кремниевым волноводом», - оценил Кирилл Охлопков перспективы применения для нанофотоники.
Интегральная нанофотоника помогает специалистам понять физические свойства и процессы взаимодействия света с наноструктурированным веществом, а главное, создать новые материалы и структуры, которые откроют большие технологические возможности для управления светом в наномасштабе. Возникшая на стыке интегральной оптики и физики наногетероструктур, она становится популярной в научной среде.
Чем же обусловлен научный интерес к интегральной нанофотонике молодого учёного-физика МГУ?
«Перед интегральной нанофотоникой стоит ряд больших вызовов, главным из которых является создание компьютера, сигнал, который будет передаваться и обрабатываться с помощью фотонов. Для того чтобы это реализовать, требуется построить соответствующую элементную базу, важными составляющими которой являются оптические волноводы и оптические переключатели. В своей научной деятельности я стараюсь исследовать структуры, перспективные для данных применений», - ответил Кирилл Охлопков.
