Войти

Ученые увидели наноантенны в новом свете

2522
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
  • 02.08 16:38
  • 111
В США оценили российские Су-34 с УМПК
  • 02.08 16:36
  • 13
Неизбежность Тайваня
  • 02.08 14:52
  • 9823
Без кнута и пряника. Россия лишила Америку привычных рычагов влияния
  • 01.08 16:16
  • 0
Логистика НАТО: Трубопроводы на передовую
  • 01.08 11:32
  • 0
Поляки в погоне за украинскими технологиями
  • 31.07 17:19
  • 30
ChatGPT-4 и нейросети (ИИ) спешат на помощь ГШ ВС РФ и Российской армии
  • 31.07 13:36
  • 1
Три причины, по которым американский мировой порядок может рухнуть (Bloomberg, США)
  • 31.07 13:04
  • 1
На Западе оценили запуск российской АПЛ крупнейшей в мире крылатой ракеты
  • 31.07 09:57
  • 15
В Госдуме высказались о судьбе авианосца «Адмирал Кузнецов»
  • 31.07 00:34
  • 2
"Провокация с двух направлений". Реальны ли угрозы НАТО для Калининграда
  • 30.07 22:31
  • 0
Ответ на ""Провокация с двух направлений". Реальны ли угрозы НАТО для Калининграда"
  • 30.07 16:46
  • 0
Ложь как стратегия: исказить, обмануть, дезинформировать
  • 30.07 16:44
  • 0
Лев Вершинин прокомментировал инцидент с дроном в Минске
  • 30.07 03:39
  • 37
"Главное - не зарабатывать новых долгов"
  • 30.07 02:59
  • 0
О поколениях подводных лодок