Здравствуйте! На данный момент портал работает в режиме тестирования.
мама
123
Биомед ИТ и электроника Новости Энергетика и экология

Кремниевые наночастицы могут стать основой для наноразмерных лазеров и усилителей связи

Экспериментальные исследования ученых МФТИ, санкт-петербургского Университета ИТМО и их коллег из Австралийского национального университета (Australian National University) доказали, что при помощи наночастиц из кремния можно значительно увеличить интенсивность комбинационного рассеяния света – этот эффект позволит создавать наноразмерные лазеры и наноразмерные усилители для оптоволоконных линий связи. Результаты проведенной работы опубликованы в журнале Nanoscale, сообщает пресс-служба МФТИ.

Тенденции современной телекоммуникационной индустрии требуют от инженеров разрабатывать все меньшего размера устройства: если ранее, применяемые для усиления комбинационного рассеяния аппараты были больше по своим размерам, чем длина волны, то теперь необходимость экономии энергии и уменьшения габаритов чипов диктует свои условия.

Ученая группа, в которую входил аспирант факультета проблем физики и энергетики МФТИ Денис Баранов, занималась поиском способа уменьшения габаритов усилителей комбинационного рассеяния.

Схематичное изображение комбинационного рассеяния. Падающий фотон возбуждает колебательный уровень молекулы (отмечен красным), в результате чего молекула переизлучает квант света на другой длине волны. Изображение предоставлено авторами исследования.

Схематичное изображение комбинационного рассеяния. Падающий фотон возбуждает колебательный уровень молекулы (отмечен красным), в результате чего молекула переизлучает квант света на другой длине волны. Изображение предоставлено авторами исследования.

Как правило, свет не изменяет своего цвета после взаимодействия c веществом (изменение цвета – результат изменения длины волны), но в ряде случаев возможна ситуация, когда наблюдается комбинационное или рамановское рассеяние. Оно характеризуется тем, что под действием падающего света энергия молекулы повышается на величину, которая соответствует её колебательному движению. После этого происходит переизлучение фотона, но уже с меньшей энергией (часть ее ушла к молекуле), тогда длина волны увеличивается, а цвет сдвигается в сторону красного спектра. Подобный процесс наблюдается и в целых кристаллах.

После открытия этого эффекта была заложена целая область прикладной науки – рамановская спектроскопия, которая позволяет обнаруживать даже отдельные молекулы вещества. Сегодня комбинационное рассеяние нашло широкое применение в волоконно-оптических сетях, где с его помощью усиливают сигнал.

Условное изображение резонансного комбинационного рассеяния на наночастице. Падающее излучение возбуждает резонанс частицы - магнитную дипольную моду, изображенную синей стрелкой. Электрическое поле магнитной моды взаимодействует с колебаниями кристаллической решетки в резонансной кремниевой наночастице, вследствие чего рассеянный свет меняет свою длину волны. Изображение предоставлено авторами исследования.

Условное изображение резонансного комбинационного рассеяния на наночастице. Падающее излучение возбуждает резонанс частицы — магнитную дипольную моду, изображенную синей стрелкой. Электрическое поле магнитной моды взаимодействует с колебаниями кристаллической решетки в резонансной кремниевой наночастице, вследствие чего рассеянный свет меняет свою длину волны. Изображение предоставлено авторами исследования.

Исследователи использовали кремниевые наносферы, где возникает оптический резонанс, так называемый резонанс Ми. Резонансы Ми возникают в любых сферических частицах, при этом резонансные длины волн зависят именно от размера частицы. Один из резонансов, наблюдающийся для самой большой длины волны, – магнито-дипольный резонанс. Обычно его длина волны сопоставима с диаметром частицы. Однако в кремнии из-за высокого значения его коэффициента преломления магнито-дипольный резонанс наблюдается в оптическом диапазоне (с длинами волн более 300 нанометров) уже для наночастиц диаметром около 100 нанометров.

Поэтому кремниевые наночастицы можно использовать как миниатюрный элемент для усиления различных оптических явлений, в том числе спонтанного излучения, усиленного поглощения света, генерации высших гармоник и др.

В эксперименте ученые исследовали поведение кремниевых наночастиц разного размера. Для определения размеров частиц их помещали под микроскоп и облучали белым светом. Частицы разных диаметров обладают резонансами Ми на разных длинах волн, поэтому они светятся разными цветами.

Темнопольное изображение массива кремниевых частиц различных диаметров, использованных в эксперименте. На вставке показано изображение отдельной частицы в электронном микроскопе. Изображение предоставлено авторами исследования.

Темнопольное изображение массива кремниевых частиц различных диаметров, использованных в эксперименте. На вставке показано изображение отдельной частицы в электронном микроскопе. Изображение предоставлено авторами исследования.

Затем ученые проверили как интенсивность комбинационного рассеяния зависит от диаметра кремниевой частицы. В полном соответствии с разработанной ими теорией, интенсивность комбинационного рассеяния оказалась максимальной при резонансном диаметре частицы. Интенсивность рассеяния такой частицей более чем в 100 раз превосходит величину комбинационного рассеяния в нерезонансных частицах других диаметров.

«Комбинационное рассеяние света — невероятно полезный на практике эффект, который позволяет не только обнаруживать микроскопические количества химических соединений, но и передавать информацию на большие расстояния. В связи со стремлением сделать все оптические устройства меньше, становится актуальным поиск наноструктур, которые могут усиливать этот эффект. Наши наблюдения указывают на одного возможного кандидата – кремниевые наночастицы» — рассказал Баранов.

Кремниевые наночастицы могут стать основой для создания миниатюрных оптических усилителей для оптоволоконный сетей, а также платформой для создания компактного нанолазера, использующего эффект вынужденного комбинационного рассеяния, что сулит очень интересные приложения в области медицины и биомикроскопии. В частности, детектирование сигнала комбинационного рассеяния от частиц, находящихся в организме, позволит отследить перемещение молекул лекарственных препаратов.

Об авторе

Тимур Хафизов

Тимур Хафизов

Корреспондент Russian IT World