Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова — как известно, не просто учебное, но и научное учреждение, где занимаются фундаментальной и прикладной наукой, проводят уникальные эксперименты. Под руководством проректора МГУ Андрея Анатольевича Федянина, доктора физико-математических наук, профессора, ведутся исследования в области нелинейной нанофотоники — весьма сложной области современной физики, которая, если говорить простым языком, пытается приручить свет, использовать его свойства на благо цивилизации.
Материал опубликован в октябрьском выпуске журнала «В мире науки»
— Андрей Анатольевич, что означает термин «нелинейная нанофотоника»?
— Слово «фотоника» родилось лет 20 назад и только в последние годы вошло в активный обиход. Появились журналы, посвященные фотонике. В семействе журналов Nature есть Nature Photonics. В большинстве случаев фотоника — это прикладная оптика, связанная с управлением оптическими сигналами, импульсами в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. А нанофотоника — это специальный раздел фотоники, рассматривающий взаимодействие света со структурами или веществами, в которых один или несколько пространственных масштабов подверглись наноструктурированию. То есть наблюдаются какие-то пространственные особенности с размером, лежащим в диапазоне нескольких нанометров.
— Но разве понятия «нанометр» и «фотоника» не лежат в разных плоскостях?
— Казалось бы, они противоположны. Нанометр — действительно оксюморон для фотоники. Если мы говорим про видимое излучение, то здесь характерен пространственный масштаб в 0,5 мкм, или 500 нм. Это сине-зеленая часть оптического спектра. Это означает, что характерные пространственные масштабы в оптике на самом деле не нанометровые, они крупнее. Поскольку характерный пространственный масштаб в электромагнетизме — длина волны, то в оптическом диапазоне, а тем более в ближнем инфракрасном, мы говорим про микрометры или максимум субмикрометры, то есть приставка «нано-» здесь отсутствует. Согласно классическим подходам оптики, меньше, чем 250 нм, оптики не существует.
Однако, оказывается, это не совсем так. С развитием методов нанолитографии, электронно-лучевой литографии, литографии сфокусированного ионного пучка, фотолитографии с высоким разрешением стало возможно изготавливать наноструктуры, в которых есть периодическое изменение материала, плотности или каких-то других физических параметров с пространственным разрешением в единицы нанометров. И тут появилась новая область оптики — ближнепольная оптика, когда мы начинаем рассматривать, как устроен свет в масштабах меньше, чем длина волны. И вдруг выясняем, что в этой области электромагнитное излучение перестает быть привычным для нас поперечным, а уже имеет и продольный компонент.
— Иначе говоря, свет на масштабах меньше, чем длина волны, начинает проявлять новые свойства?
— Да, свойства, которых в «обычном» мире не существует. Поэтому, когда мы переходим к ближним оптическим полям, «нано-» начинает играть вполне осмысленную роль. С другой стороны, когда мы говорим про излучатель, например квантовую точку или, может быть, наночастицу алмаза, они могут быть нанометрового размера и работать как очень хороший источник электромагнитных излучений. Поэтому наноструктурирование вещества — это осмысленный повод создавать объекты, в которых появляются новые свойства: излучательные или, скажем, свойства по управлению электромагнитным излучением, отличные от объемных свойств. Нанофотоника — это раздел фотоники, который изучает взаимодействие света, его генерацию, распространение, излучение, поглощение в наноструктурированных материалах, в которых благодаря искусственному наноструктурированию появляются свойства, отличные от свойств объема.
В лаборатории нанооптики и метаматериалов
— Такие наноструктурированные вещества уже созданы?
— Да, например, фотонные кристаллы. Это прозрачные искусственные материалы, чаще всего сделанные из диэлектриков или полупроводников в полосе прозрачности, которые представляют собой периодические среды с пространственной модуляцией не ниже, чем половина длины волны. В этом случае в специальном спектральном диапазоне распространение света становится подавленным. Это приводит к тому, что свет определенной длины волны или определенного спектрального диапазона перестает распространяться внутри фотонного кристалла.
Иными словами, если свет падает на такой объект, то он полностью отражается от этого объекта. То есть вещество становится черным, непрозрачным для электромагнитного излучения заданного диапазона. У нас появляется дырка в спектре фотонных состояний, и это явление называется «фотонная запрещенная зона». Для оптиков такого рода искусственный объект чрезвычайно интересен, потому что в нем появляются новые свойства, новые законы распространения света. Пример: медленный свет, когда он как будто вмораживается внутрь вещества.
— Почему такое происходит?
— Скорость распространения света становится аномально маленькой, потому что плотность состояния становится аномально большой и, как следствие, увеличивается время взаимодействия света с веществом. Это явление экспериментально обнаруживается в фотонных кристаллах. То есть речь идет о том, что законы распространения света благодаря наноструктурированию могут очень сильно меняться.
— Это чисто экспериментальные вещи или они находят какое-то применение?
— Все начиналось с чистого эксперимента. Более того, примеры фотонных кристаллов известны уже лет 30, только оптики их называли брэгговскими зеркалами и лишь где-то в 90-х гг. прошлого века, когда стали доступны методы двумерного и трехмерного наноструктурирования, такого рода искусственные объекты получили название фотонных кристаллов. На первом этапе это были лабораторные образцы, в которых ученые исследовали новые, ранее недоступные оптические явления. А потом стало понятно, что есть и практические применения для таких объектов. Например, сейчас есть фотонно-кристаллические волокна, которые управляют распространением света заданного спектрального диапазона, есть оптические микроэлементы типа переключателей и даже транзисторы с использованием фотонных кристаллов.
— Оптики знают, что явление магнетизма в оптическом диапазоне отсутствует. Слышала, что и здесь вы попытались что-то изменить?
— С точки зрения феноменологических констант магнитная проницаемость вещества в оптическом диапазоне строго равна единице. Мы привыкли с этим жить. Однако согласитесь, грех было бы не использовать методы наноструктурирования, чтобы попытаться создать вещества, в которых магнитная проницаемость (физики обозначают ее буквой «мю») была бы отлична от единицы. Понятно, что мы физически не можем создать новое вещество, но можем создать эффективную среду, при распространении через которую свет «думал» бы, что он распространяется через вещество с мю, отличным от единицы, и это давало бы новую физику.
— Зачем вы хотите это сделать?
— Это означает расширение круга материалов, с которыми мы, физики, можем работать.
Это дополнительный способ управлять распространением света, создавать вещества с искусственными материальными константами. Самый интересный класс таких веществ — это вещества с отрицательным показателем преломления. Вообще-то показатель преломления должен быть положительным, то есть всегда больше единицы. Если он равен единице, то это показатель преломления вакуума. Но человек не хочет с этим мириться, он хочет создать что-то иное. И такой человек есть. Это Виктор Георгиевич Веселаго, наш соотечественник, который в 1960-е гг. рассмотрел простую, но абсолютно нереализуемую в те времена задачу: что будет с уравнением Максвелла, или с законами распространения света, если диэлектрическая и магнитная проницаемости (эпсилон и мю) у вещества будут отрицательными.
Понятно, что в природе таких веществ не существуют. Бывают вещества, у которых эпсилон отрицательный. Это металлы в оптическом диапазоне, но мю при этом опять положительное. Бывают вещества, у которых мю отрицательное, например ферриты в микроволновой области, но эпсилон будет положительным. Однако не существует в природе веществ, у которых и то и другое отрицательное. Его работа вышла в 1968 г. в журнале «Успехи физики». Это теоретическая методическая работа, которая рассматривала законы распространения света в том случае, если оба этих фундаментальных показателя распространения света будут ниже нуля. А это означало, что и показатель преломления становится отрицательным.
— И что, по его мнению, должно произойти?
— Законы распространения света становятся совсем другими. Вещество начинает распространяться при прохождении через границу раздела совсем в другом направлении. Появляются новые феномены, когда можно сфокусировать излучение, используя не линзу, а плоскопараллельную пластину вещества с отрицательным показателем преломления. Таким образом, открывается огромная область новых оптических явлений, которые до этого невозможно было наблюдать. При этом они укладываются в стандартную теорию электромагнетизма Максвелла, это просто аккуратное рассмотрение теории с расширением параметров в области отрицательных показателей преломления. Но в 1968 г. это казалось фантастикой.
— А сейчас?
— В 2000-х гг. появились работы иностранных авторов на ту же тему. Позже первенство советских ученых в этом вопросе было доказано. Стало понятно, что методы наноструктурирования позволяют создавать вещества, в которых одновременно реализуются эффективные диэлектрический и магнитный виды проницаемости. Такие материалы стали называться оптическими метаматериалами, что в переводе с греческого означает «как бы материалы».
— Выходит, вы занимаетесь метафизикой?
— Нет, мы занимаемся физикой метаматериалов. Но, тем не менее, здесь действительно возникла абсолютно новая проблематика. Все эти вещества сделаны из твердого тела, то есть это наука материалов, а с другой стороны, она работает прежде всего в оптике, ведь именно методами наноструктурирования, нанофотоники можно исследовать эти новые феномены. Появилось большое количество ученых, которые стали исследовать явления в оптических метаматериалах. Одной из таких групп были мы, начав свои исследования в 2007 г. Поэтому наша лаборатория называется лабораторией нанооптики и метаматериалов.
— Эти материалы уже существуют?
— Да. Они созданы методами высокоразрешающей литографии, например электронной литографии или литографии с фокусированным ионным пучком. Конечно, жизнь оказалась более разнообразной, чем это писалось у теоретиков. Есть оптические потери, и все эти явления ведут себя совсем по-другому, чем ожидалось. С другой стороны, все феномены, связанные с эффективным отрицательным показателем преломления, — это так называемые резонансные явления, то есть они реализуются в узком спектральном диапазоне. Красивое проявление метаматериалов с отрицательным показателем преломления — шапка-невидимка или плащ-невидимка.
— У вас они есть?
— Нет. Создать их невозможно.
— Ну вот…
— Объясню почему. Идея очень простая. Если мы можем управлять показателем преломления, то давайте создадим вещество, в котором есть некое заданное пространственное распределение показателя преломления таким образом, чтобы свет полностью огибал это вещество. Условно говоря, возьмем вещество из оптического метаматериала, поставим его на стол, и тогда то, что мы положим в это вещество, например кофейную чашку, будет невидимым. В теории так и будет. В жизни же выясняется, что все современные метаматериалы узкополосные. То есть они работают на строго определенной длине волны. Например, можно создать шапку-невидимку, которая будет работать в довольно узком спектральном диапазоне — например, в лазерном. Но это будет не та шапка-невидимка, какую мы себе представляем. Тем не менее практические применения существуют даже у таких веществ.
— Какие, например?
— Если у вас есть зондирующее лазерное излучение нужного диапазона, то вы можете сделать так, чтобы данное вещество было невидимым. Это может быть нужно, например, в медицинских целях, когда перед вами некое препятствие для света. Скажем, проводится хирургическая операция, и вам нужно, чтобы свет это препятствие обошел. Может быть, лазерный радар, который будет огибать препятствие и передавать информацию о нем.
— Иначе говоря, цели применения таких узкополосных шапок-невидимок — медицина, военная промышленность, следящие и разведывательные приборы…
— Да, и еще охранные, телекоммуникационные задачи, передача оптических сигналов по заданной траектории… Методы применения метаматериалов чрезвычайно широки и интересны. Как только наноструктурирование стало доступно широкому кругу лабораторий, стало понятно, что и экспериментальные исследования в этой области начали расти. Тем не менее подавляющее большинство подходов, которые работают с такого рода веществами, оперируют с наноструктурированием металла. Связано это с тем, что металл в оптическом диапазоне имеет отрицательную диэлектрическую проницаемость, то есть по крайней мере один из показателей уже отрицательный. Однако металлы хорошо поглощают электромагнитное излучение. Поэтому в последние два-три года стало понятно, что есть определенный идейный тупик с дальнейшим использованием металлов и металлических наноструктур для создания метаматериалов — прежде всего из-за ограничения по оптическим потерям, по поглощению.
Тогда и появилась идея: почему бы из диэлектриков с высоким показателем преломления, например из кремния, не попытаться создать элементы, которые будут эффективно обладать отрицательной магнитной проницаемостью? Это так называемые магнитодипольные резонансы в частицах, и хотя явление было открыто довольно давно, раньше оно не использовалось. Первая работа была опубликована лишь в 2012 г. Она продемонстрировала, что в наночастицах кремния в полосе прозрачности размером несколько сотен нанометров возможно наблюдение магнитодипольных резонансов, что эквивалентно появлению эффективного отрицательного мю. Даже появился новый термин — «магнитный свет».
— Это явление существует в природе?
— Нет, это искусственно созданная наночастица кремния, в которой появляются новые оптические резонансы, ведущие себя с точки зрения света как резонансы с отрицательным мю. Так появились диэлектрические метаповерхности — это именно то, чем мы занимаемся в последние два-три года, пытаясь создавать вещества с новыми эффективными полями.
— Почему вы называете их нелинейными?
— Здесь я должен отдать дань уважения советским ученым, и в частности школе нелинейной оптики МГУ, у основания которой стояли Сергей Александрович Ахманов и Рем Викторович Хохлов.
— На улице имени которого мы сейчас находимся.
— Абсолютно верно, наша лаборатория расположена на улице Академика Хохлова, одного из основателей школы нелинейной оптики в Советском Союзе. Скажу несколько слов про этот класс явлений. Если мы рассматриваем взаимодействие света с веществом, то на нашем бытовом уровне мы находимся в пределах так называемой линейной оптики. Отсюда все законы распространения света, в том числе закон сохранения частоты электромагнитного света.
Однако в том случае, если вы рассматриваете довольно мощное лазерное излучение, связь поляризации вещества и напряженности лазерного излучения перестает быть линейной функцией. Появляется нелинейная добавка. И вот эта малая нелинейная добавка, носящая название «нелинейная восприимчивость», и приводит к появлению целого класса новых оптических явлений, которые называются нелинейно-оптическими. Экспериментально это обнаружено в нашей стране Р.В. Хохловым и С.А. Ахмановым, в США основополагающие работы принадлежат Николасу Бломбергену, когда с развитием лазеров стало возможным наблюдать новые классы оптических явлений.
Одним из таких интереснейших явлений нелинейной оптики стало изменение частоты, когда лазерное излучение инфракрасного диапазона, проходя через свет, начинает удваивать свою частоту и вы начинаете видеть зеленое излучение. Или, скажем, утраивать — тогда вы видите синее излучение. Изменение частоты падающего лазерного излучения — это крайне интересное явление нелинейной оптики, которое нашло применение в окружающем мире. Например, широко применимые зеленые указки в массе своей — на самом деле инфракрасные источники.
— Какие открытия принесло изучение этих явлений?
— Нас интересуют нанофотонные объекты, метаматериалы и метаповерхности, в которых есть пространственное наноструктурирование с новыми свойствами. Это крайне интересная для нас область физики, потому что здесь появляются феномены, которые до этого не были обнаружены, а также большой спектр будущих практических применений. Можно говорить, например, о возможности создания нелинейных оптических переключателей, которые имели бы характерные размеры существенно меньше, чем те, которые есть сейчас. Или, например, энергопотребление меньшее, чем нынешнее, или скорость реакции существенно меньшую, чем сейчас.
— Насколько меньшая?
— Сейчас для нас характерный временной масштаб — это секунда. Мы прекрасно знаем, что такое микросекунда, миллисекунда, даже наносекунда, потому что это те времена, которые легко достижимы, например, в наших компьютерах. Когда мы говорим про гигагерцевую частоту, это означает, что там есть процессы с длительностью порядка наносекунды, потому что обратная наносекунда — это как раз гигагерц. А вот если мы хотим исследовать времена короче, чем наносекунда, то в твердом теле это сделать довольно тяжело. Поэтому про терагерцы применительно к тактовой частоте процессоров мы уже не говорим. Это связано с тем, что, когда мы переходим от наносекунд к пикосекундам, а дальше к фемтосекундам (это 10-15 секунды), здесь единственным инструментом, который позволяет исследовать вещество, становится оптика.
— Лазер?
Возбуждение резонансов Ми в кремниевом метаматериале
— Да, лазер, потому что три фемтосекунды — это некий временной масштаб лазерного излучения. И это оказывается существенно короче, чем то, что сейчас достижимо в твердом теле. Быстродействие современных компьютеров и, соответственно, транзисторов ограничивается естественными причинами, связанными с невозможностью приложить очень короткий электрический импульс. А в оптике это возможно. Существуют явления, когда вы можете создать импульс электрического поля благодаря взаимодействию света с веществом.
— А нельзя ли создать оптический компьютер?
— Можно. Именно к этому я и подвожу. Если говорить про будущие приложения фотоники, то, конечно, одна из первых и самых интересных задач — создание принципиально новых чипов, которые были бы аналогичны электронным микросхемам, но в качестве источника информации, управляющего элемента в них был бы не электрон, как мы привыкли в наших транзисторах, а фотон.
— Насколько я понимаю, главное преимущество такого компьютера будущего — феноменальное быстродействие?
— Да. Оптические аналоги микросхем в смысле быстродействия имеют огромное преимущество, потому что дают возможность говорить о предельно коротких временах срабатывания — на уровне сотен фемтосекунд или даже десятков фемтосекунд. Это означает, что гипотетически возможнj получить частоту работы оптической микросхемы, уходящей в области терагерц. Это кажется фантастикой, но это реальное будущее, над которым мы работаем.
— Все мы знаем, что окружающие нас со всех сторон электромагнитные поля могут негативно воздействовать на организм человека. А что в случае с фотонным компьютером?
— Лазерное излучение видимого диапазона очень быстро поглощается кожными покровами, поэтому говорить о каких-то негативных воздействиях света или лазерного излучения на человека не приходится. Энергия фотона видимого диапазона недостаточна для того, чтобы разорвать межмолекулярные связи. Здесь она противоположна рентгеновскому фотону, или гамма-кванту. Энергия такого кванта достаточно велика, чтобы, будучи поглощенной молекулой, разорвать внутримолекулярные связи. Соответственно, могут появиться какие-то канцерогены — оборванные связи, естественно, вредны для организма. Вот в чем объяснение вредности рентгеновского излучения. В оптике ситуация обратная. Поэтому если будут созданы оптические компьютеры, то они будут не только сверхбыстрыми, но и совершенно безопасными.
— Но недаром же Господь сказал: «Да будет свет!»
— Наверное, так, но пока, к сожалению, идея оптических компьютеров не реализована. И связано это прежде всего с тем, что электрон можно очень хорошо локализовать в пространстве, поскольку длина его волны существенно меньше, чем оптическая. Электрон — это все-таки горошинка, корпускула. А фотон мы воспринимаем как электромагнитную волну, и в экспериментах она ведет себя как поток фотонов, квазичастиц. Поэтому локализовать свет ровно на таких же масштабах, как в электронике, пока не удается. А следовательно, чип для фотонов сейчас имеет пространственные масштабы много б льшие, чем обычная микросхема.
— Тем не менее такие чипы удалось создать?
— Существуют микроэлементы, которые, например, реализуют свойства транзистора. К сожалению, сейчас размеры такого транзистора для фотонов — это либо микрометры, либо субмикрометры, но еще отнюдь не нанометры. Поэтому оптический компьютер — пока мечта. Тем не менее использование света, потока фотонов как квантов информации в информационных технологиях — задача ближайшего будущего. Напомню, что на больших расстояниях мы уже давно передаем информацию не электронами, а фотонами: по оптоволокнам передается прежде всего оптическая информация, никто не использует для этого телеграфные провода. Электроны на больших расстояниях уже полностью вытеснены фотонами. Сейчас проблема лишь в последней миле — как сделать так, чтобы уже внутри квартиры, на вашем столе, внутри системного блока компьютера был не поток электронов, а поток фотонов. Эта задача будет активно решаться.
— Насколько я понимаю, это мировой тренд. Какова здесь роль нашей страны?
— Мы традиционно очень сильны фундаментально. Недаром наши советские ученые А.М. Прохоров и Н.Г. Басов получили Нобелевскую премию за изобретение лазера. Школа лазерной физики в нашей стране очень мощная, до сих пор этот приоритет существует. В области нелинейной оптики мы тоже мировые лидеры. Так что наша страна и конкретно МГУ здесь встроены в мировую систему научных коммуникаций. В конце сентября я поеду в Минск, где будет проходить очередная Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике (ICONO). Проходит эта конференция уже 40 лет, только раньше называлась КиНО. На нее приезжают ученые со всего мира, чтобы обменяться последними результатами исследований в области лазерной физики и использования лазерного излучения для тех или иных приложений. Поэтому мы смотрим в будущее с большим оптимизмом. Кстати, наш глаз — как известно, тоже оптический прибор, биологический фотонный компьютер, который мы носим внутри себя, поэтому в каком-то смысле наша задача — попытка научиться у природы тому, что уже давным-давно существует
