Войти

Ученые увидели наноантенны в новом свете

1869
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
Материал размещён правообладателем в открытом доступе
  • В новости упоминаются
Похожие новости
24.11.2015
Импортозамещение в головах
08.09.2015
«Байкал» необычайной высоты
24.03.2015
Технологии будущего и вооружения России
21.05.2014
Магистральное направление развития РАВ
08.08.2012
Об интернациональной околоземной пятерке
31.07.2009
Твердыни "Базальта"
Хотите оставить комментарий? Зарегистрируйтесь и/или Войдите и общайтесь!
  • Разделы новостей
  • Обсуждаемое
    Обновить
  • 23.01 17:00
  • 94
Сын главы Роскосмоса дал совет, как надо осваивать новые рынки вооружений
  • 23.01 15:37
  • 15
Forbes (США): российская роботизированная субмарина с грязной бомбой «абсурдна», но Москва все равно строит для нее базу
  • 23.01 15:05
  • 5
Седьмой пошел: «всевидящий корвет» отправился во Владивосток
  • 23.01 14:51
  • 4
Российская "оборонка" довела долю гражданской продукции и продукции двойного назначения до 24,1% - Патрушев
  • 23.01 12:16
  • 26
IBCS: Польша первая после США
  • 23.01 05:23
  • 15
South China Morning Post (Гонконг): действительно ли гиперзвуковые ракеты кардинально все меняют? Нет, говорится в новом исследовании
  • 23.01 04:16
  • 7
Институт «Звездных Войн»
  • 23.01 02:58
  • 9
Украинские гадания на турецкой кофейной гуще
  • 23.01 01:12
  • 35
Танк «Армата» пойдет в серийное производство
  • 22.01 21:03
  • 4
Украина закупила 52 корабля: будут ли они воевать или стоять у причала? Оценка контрактов 2020-го (Цензор.НЕТ, Украина)
  • 22.01 17:44
  • 25
Новый «стратег» исправит проблемы российских бомбардировщиков
  • 22.01 17:21
  • 3
«Сенат поставил во главу угла национальную безопасность США» - женщину
  • 22.01 17:09
  • 1
"Укринмаш" приступает к капремонту самолета Ан-30 ВВС Болгарии
  • 22.01 16:06
  • 1
Источник заявил о технических проблемах модуля «Наука». Их считают устраняемыми
  • 22.01 15:06
  • 2
Источник: специалисты выявили несколько замечаний к модулю "Наука" для МКС