Разработанный учеными ИТМО источник света на основе кремния.
Пояснения: NIR excitation — «возбуждающее излучение на длине волны ближнего инфракрасного диапазона», WL signal — «сигнал / излучение белого света», SHG signal — «сигнал / излучение генерации второй гармоники», Au — золото, Si — кремний.
Источник изображения: ASC Photonics
Рекордно маленький источник света для разнообразных оптических систем представили исследователи из университета ИТМО. В роли активного материала выступил доступный и долговечный кремний, чья способность поглощать и излучать фотоны была увеличена в 10 тыс. раз благодаря спроектированной учеными метаповерхности из золота. Разработка может применяться в устройствах коммуникации нового поколения, а также в приборах наноспектроскопии и ближнепольной микроскопии, используемых в медицине, научных изысканиях и промышленности. Подробнее об исследовании корреспонденту «Научной России» рассказал его первый автор, научный сотрудник физического факультета ИТМО, кандидат физико-математических наук Артем Олегович Ларин.
В окружающих нас электронных устройствах в качестве проводника сигналов, несущих информацию, выступают элементарные частицы — электроны. Но есть и современная альтернатива — оптические вычислительные системы, в которых данные передаются с помощью частиц света — фотонов. В том числе эта технология может применяться для создания более эффективных коммуникационных устройств. Простой пример: при долгой усиленной работе электроника нагревается (например, телефон после просмотра длинного видео или прохождения компьютерной игры). Фотоны же, в отличие от электронов, в процессе перемещения «выделяют» значительно меньше тепловой энергии, поэтому проблема перегрева для оптических систем теряет актуальность. Кроме того, использование частиц света позволяет намного быстрее выполнять логические операции.
У электроники тоже есть определенное преимущество: почти все компоненты таких устройств, отвечающие за сбор, обработку и хранение данных, производятся из кремния — весьма дешевого материала с большим сроком службы. Он уже используется и в некоторых деталях оптических систем, но именно в качестве источника света оказался невостребованным. Причина проста: кремний обладает низкой квантовой эффективностью — это мера световой чувствительности, показывающая разницу между количеством фотонов, поглощенных и излученных материалом.
Члены научной группы гибридных нанофотонных систем под руководством ведущего научного сотрудника физического факультета ИТМО Дмитрия Александровича Зуева преодолели это препятствие. Они разработали метод, позволяющий увеличить квантовую эффективность кремния с 10-7 до 10-3. При этом получить свет удалось из образца кремния с рекордно маленьким объемом, соответствующим сфере с диаметром всего 50 нм.
Научный сотрудник физического факультета ИТМО, кандидат физико-математических наук Артем Олегович Ларин.
Фото: Артем Ларин
Достичь такого результата позволила метаповерхность из золота. Она выступает в роли «ловушки» для фотонов и не дает им ускользнуть из области, где находится кремний, выполняющий функцию источника светового излучения.
«Метаповерхность — это искусственно изготовленный материал, не имеющий аналогов в природе и обладающий специфическими оптическими характеристиками, несвойственными обычным веществам из окружающей среды. Метаповерхности выполняют функцию управления оптическими волнами, их амплитудой, фазой и поляризацией, что помогает получать различные необычные свойства, — объяснил А.О. Ларин. — В качестве базовых примеров можно привести создание материалов с отрицательным показателем преломления, оптически активных структур, суперлинз, чье оптическое разрешение намного выше, чем у обычных, а также идеальных поглотителей».
Драгоценный металл был взят за основу новой метаповерхности благодаря ценным свойствам: золото слабо взаимодействует с воздухом, хорошо отражает излучение в видимом диапазоне и в целом удобно для изготовления подобных структур.
«Мы создавали новый источник света в коллаборации с коллегами из итальянского Института микроэлектроники и микросистем в г. Лечче. Они отвечали за изготовление самой структуры методом электронно-лучевой литографии. Мы же характеризовали ее оптические свойства», — сказал А.О. Ларин.
Изготовление проходило в несколько этапов. Сначала с помощью метода литографии ученые создавали многослойную структуру «золото-кремний-золото». А уже затем она вырезалась по определенной форме, в результате чего формировалась метаповерхность.
«Созданная нами метаповерхность представляет собой периодическую структуру золотых цилиндров, находящихся над поверхностью пленки, также изготовленной из золота. При этом их разделяет небольшой зазор (размером около 10 нм — Примеч. корр.). Особенность этой структуры с точки зрения оптики заключается в том, что она очень эффективно поглощает <…> излучение с определенной длиной волны. И, когда на такую метаповерхность падает свет, он начинает активно локализовываться как раз внутри этого зазора между цилиндрами и золотой пленкой, — поделился А.О. Ларин. — И внутри этого зазора, где локализуется очень сильное [электромагнитное] поле, мы расположили кремний. <…> Как раз за счет такой способности новой метаповерхности концентрировать свет мы смогли повысить квантовую эффективность кремния как источника излучения».
Когда на метаповерхность падает инфракрасное излучение ближнего диапазона, оно «застревает» в зазоре между пленкой и дисками и начинает активнее взаимодействовать с кремнием. Из-за особенностей структуры возникают оптические переходы излучения, в результате чего кремний начинает испускать видимый белый свет, включающий все цвета радуги (то есть излучение со всеми длинами волн видимого диапазона) и некоторое количество волн ближнего инфракрасного диапазона.
Использование излучения с разными длинами волн очень ценно для оптических систем, обеспечивающих коммуникацию.
«С точки зрения коммуникации, чем шире оптический диапазон, в котором работают системы, тем больше каналов можно реализовать. Световые излучения разного цвета обладают “волшебным” свойством — <…> так как фотоны слабо взаимодействуют между собой, по одному волокну можно [одновременно] пропускать свет с несколькими длинами волн, — пояснил А.О. Ларин. — Каждая световая волна с определенной длиной — это отдельный канал, передающий информацию. Вы можете одновременно проводить их внутри одного волокна, и они никак не будут мешать друг другу. Чем больше каналов проходит внутри волокна, тем выше пропускная способность системы: можно передать больше информации за единицу времени».
А.О. Ларин добавил, что использование широкополосного белого света играет схожую важную роль и в вычислительных системах. В этом случае излучения с разными длинами волн будут «отвечать» за одновременное проведение операций: «Существуют разные пути увеличения скорости вычислений: либо “заставить” логические элементы системы работать быстрее, либо научиться выполнять операции параллельно. В случае с использованием светового излучения с широким диапазоном как раз реализуется распараллеливание вычислений».
Результаты работы ученые представили в журнале ACS Photonics.
Рекордно маленький источник света для различных оптических систем создали ученые из ИТМО. Об исследовании рассказывает его первый автор, научный сотрудник физического факультета ИТМО Артем Олегович Ларин.
Фото на стоп-кадре видео: Артем Ларин
«Испытания нового источника света проходили на базе оптической лаборатории университета ИТМО, где было выполнено комплексное исследование с использованием методов лазерной спектроскопии и время-разрешенной флуориметрии. Это позволило полноценно протестировать и описать полученный объект, определив его численные характеристики», — отметил А.О. Ларин.
Исследователь добавил, что их научная группа пробует изготавливать источники света разными способами. Текущий подход с созданием золотой метаповерхности отличается тем, что позволил создать очень маленькую структуру со специфичными условиями возбуждения.
«Параллельно мы разработали и другие методы изготовления источников излучения. Наша группа уже применяла полученные материалы в качестве систем для наноспектроскопии — с ее помощью можно изучать оптические свойства разных объектов, например, единичной молекулы. Мы также использовали новые источники света для создания специальных меток на товарах, защищающих от подделок», — рассказал А.О. Ларин.
Ученый поделился дальнейшими планами по развитию исследования.
«Теперь, когда мы научились создавать и охарактеризовали новый источник излучения, было бы замечательно найти способ интегрировать его в имеющиеся фотонные интегральные схемы — это аналоги электронных чипов, используемых, например, в телефонах и компьютерах. Такие структуры не технология отдаленного будущего, они уже существуют и пока представляют собой “гибриды” из электронных и оптических компонентов, — заключил А.О. Ларин. — “Голубая мечта” современности — сделать все устройства оптическими, поскольку они обладают превосходством над электронными из-за скорости и малого тепловыделения, то есть работают намного эффективнее. Поэтому чем больше будет оптических элементов на фотонной интегральной схеме, тем лучше».
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Источник изображения на превью: ASC Photonics.
Фото в тексте и на стоп-кадре видео: Артем Ларин
