Войти

Ученые увидели наноантенны в новом свете

2529
0
0
Наноантенна
Наноантенна.
Источник изображения: rusnanonet.ru

Физики из МФТИ и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН предложили новую конструкцию оптических антенн для нанофотонных устройств - на основе серебряных наночастиц и кадмиевых квантовых точек, которые испускают более яркое люминесцентное излучение и при этом обладают меньшим временем реакции. Кроме того, ученые предложили новый способ получения микроизображений антенн, позволяющий обойтись без использования метода "темного поля".

Современная электроника основана на использовании электронов в качестве носителей информации, однако классические медные провода и дорожки на чипах уже не могут передавать информацию с достаточной для современных процессоров скоростью. Переход от электронов к фотонам может решить эту проблему. Нанофотонные устройства представляют интерес для применения в области цифровых технологий - в крупных дата-центрах, для мобильных сенсорных устройств, а также для аналоговых оптических сопроцессоров. Ключевой компонент таких устройств - наноантенна, способная принимать излучение определенной длины волны и преобразовывать его - менять частоту, амплитуду или направление.

В 1985 году Джон Вессель показал, что в качестве наноантенны можно использовать металлическую наночастицу. Дальнейшее развитие технологии привело к созданию нанопатч-антенн. Название "патч" происходит от английского "заплатка" - металлические наночастицы располагаются на металле, покрытом слоем диэлектрика, как заплатки на ткани (рисунок 1).

Под действием внешнего электромагнитного поля электроны в наночастице смещаются, образуя на краю частицы отрицательный заряд, противоположный край при этом приобретает положительный заряд, частица поляризуется.

При этом возникает электромагнитное поле, направленное противоположно внешнему, которое колеблется в такт с падающей на частицу электромагнитной волной. Эти колебания физики описывают с помощью специальной квазичастицы - плазмона. Если частота волны не превышает определенного значения, внутреннее поле "экранирует" наночастицу от внешнего, падающая волна отражается - отсюда и характерный блеск, которым обладают металлы. Если же частота выше, электроны "не успеют" среагировать - волна поглотится или рассеется. Как и в любых колебаниях, у нас есть частота вынуждающего излучения, при которой амплитуда максимальна, - частота плазмонного резонанса.

"В результате колеблющиеся электроны в зазоре между металлической наночастицей и слоем металла создают мощное электрическое поле, намного превосходящее внешнее. Находящиеся в этом поле квантовые точки более эффективно поглощают внешнее излучение и, следовательно, более эффективно излучают, - поясняет Алексей Витухновский, профессор, заведующий лабораторией технологий 3D-печати функциональных микроструктур МФТИ. - Уменьшение времени, за которое происходит излучение квантовой точки, происходит за счет открытого в 1964 году эффекта Парсела: поместив квантовую точку в резонатор из металлического слоя и наночастицы, мы можем заставить ее излучать быстрее".

Физики из лаборатории технологий 3D-печати функциональных микроструктур МФТИ с коллегами разработали конструкцию нанопатч-антенны, которая позволила сократить паузу между облучением и люминесцентным ответом в 60 раз (с 12 наносекунд до 0,2) и увеличить интенсивность излучения в 330 раз.

Кроме того, ученые предложили новый способ оптического исследования структуры нанопатч-антенн, основанный на перестройке длины волны лазерного излучения. Традиционный подход подразумевает использование метода "темного поля", когда образец подсвечивается "сбоку", так что изображение формируется рассеянным на нем светом. Основной минус темнопольной микроскопии - подсветка в широком спектральном диапазоне, при этом фокусное расстояние для разных длин волн будет разным, а изображение будет получаться размытым. Кроме того, если в основном наблюдение объекта ведется в светлом поле, перестраиваться в темное поле долго и неудобно.

Предложенный авторами метод лишен этих недостатков - он основан на том, что наночастица на металле поглощает падающее излучение с частотой, близкой к частоте плазмонного резонанса, поэтому на изображении частица будет выглядеть темным пятном. Длина волны, при которой происходит плазмонный резонанс, в серебряной наночастице на алюминии около 700 нм, поэтому при длине волны лазера в 650 нм картинка получается более четкой.

"Наноантенны - один из элементов, необходимых для создания квантовых компьютеров. Квантовые компьютеры используют источники одиночных фотонов, работающие на больших скоростях, и нанопатч-антенны могут выступать в роли такого источника, - комментирует Станислав Елисеев, старший научный сотрудник лаборатории технологий 3D-печати функциональных микроструктур МФТИ. - Кроме того, они могут быть использованы в органических светодиодах, из которых, в свою очередь, можно собрать световую поверхность или экран".

Работа опубликована в журнале Nanotechnology. Исследование поддержано Российским фондом фундаментальных исследований.

Рисунок 1. (а, с) схематическое устройство нанопатч-антенны. На стекло нанесен слой металла — алюминия, который, окисляясь, покрывается пленкой Al2O3, являющегося диэлектриком. Далее нанесен слой квантовых точек — небольших кристаллов сульфида или селенида кадмия, способных под воздействием электромагнитного излучения испускать свет определенной длины волны. Выше расположены кубические наночастицы серебра размером 80 нм. Источник: Nanotechnology

Рисунок 2. Возбуждение локального поверхностного плазмонного резонанса электрическим полем (А) и распределение интенсивности поля вокруг наночастицы с возбужденным плазмоном (Б). Источник: «Успехи биологической химии», т. 55, 2015, с. 391–420, «Детекция межмолекулярных взаимодействий, основанная на регистрации поверхностного плазмонного резонанса», Д. В. Сотников, А. В. Жердев, Б. Б. Дзантиев


Рисунок 1

Рисунок 2

Права на данный материал принадлежат RusNanoNet.ru
Материал размещён правообладателем в открытом доступе
  • В новости упоминаются
Хотите оставить комментарий? Зарегистрируйтесь и/или Войдите и общайтесь!
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ
Ежедневная рассылка новостей ВПК на электронный почтовый ящик
  • Разделы новостей
  • Обсуждаемое
    Обновить
  • 23.08 18:19
  • 42
МС-21 готовится к первому полету
  • 23.08 18:08
  • 10179
Без кнута и пряника. Россия лишила Америку привычных рычагов влияния
  • 23.08 12:25
  • 34
ChatGPT-4 и нейросети (ИИ) спешат на помощь ГШ ВС РФ и Российской армии
  • 23.08 10:24
  • 1
Россия требует участия в качестве гаранта послевоенной безопасности Украины (The New York Times, США)
  • 23.08 07:35
  • 2
Авиалайнер МС-21 уже налетал более 70 часов во время сертификационных испытаний
  • 22.08 23:49
  • 0
О разных аспектах ВОВ, и ее обсуждения здесь.
  • 22.08 17:57
  • 124
Путин и отношения с Азербайджаном: фокус на Южном Кавказе (Al Mayadeen, Ливан)
  • 22.08 15:38
  • 0
Ядерный вектор «Полонеза»
  • 22.08 15:36
  • 0
Превратить каждый новый вызов в новую возможность
  • 22.08 14:22
  • 2
Эксклюзив: Путин потребовал от Украины отказаться от Донбасса, вступления НАТО и размещения западных войск, сообщают источники (Reuters, Великобритания)
  • 22.08 13:15
  • 3
На Украине показали производство ракет «Фламинго»
  • 22.08 08:35
  • 1
Путин поручил принять меры для ускорения поставки маскировочных сетей на фронт
  • 21.08 12:49
  • 4
Путин упрочил за Россией статус великой державы. Европе есть от чего ужаснуться (The Telegraph UK, Великобритания)
  • 21.08 08:25
  • 5
В чем преимущества и недостатки калибров стрелкового оружия 7,62 и 5,45?
  • 21.08 02:06
  • 0
Ответ на "На Западе рассказали о воздушном бое между Су-27 и F-35"