Бывает так, что ученые делают открытия совершенно неожиданно, почти случайно. К примеру, использовав структуры, предназначенные для совершенно другого эксперимента. Именно так ученым Университета ИТМО удалось обнаружить необычное взаимодействие со светом арсенид-галлиевых димеров — пары наноцилиндров, расположенных очень близко друг к другу.

«С нами связался Юрий Семенович Кившарь [профессор Австралийского национального университета, главный научный сотрудник Университета ИТМО, — прим. ITMO.NEWS], — вспоминает соавтор исследования Михаил Петров. — Он сказал, что они, совместно с коллегами из Корейского университета, сделали образцы  для исследования высокодобротных состояний на одиночной частице. Однако при создании образца, помимо нужных одиночных частиц, получились еще и димеры. Он предложил нам их поисследовать и, возможно, найти вдруг что-то интересное».     

Генерация второй гармоники одиночной частицей

Образцы представляли из себя наноцилиндры из арсенида галлия (GaAs), одного из самых распространенных полупроводниковых материалов в мире. Теоретическим рассмотрением занималась аспирантка Университета ИТМО Кристина Фризюк. Она работала над задачей в течение месяца и обнаружила необычное свойство этих небольших частиц, связанное с генерацией второй гармоники.

«Генерация второй гармоники — это нелинейный оптический процесс, который используется, к примеру, в лазерной указке, — объясняет Кристина Фризюк. — Исходный лазер в ней инфракрасный с длиной волны 1064 нанометра, но, проходя через кристалл с особой симметрией решетки, где нет центра инверсии, он становится зеленым с длиной волны 532 нанометра (то есть частота оптического сигнала становится в два раза больше, а длина волны — в два раза меньше)».

Австралийские образцы тоже могли генерировать вторую гармонику, то есть, когда на них воздействовали инфракрасным лазером, то, помимо рассеяния исходного света, например, с длиной волны 1400 нанометров, они излучали свет с длиной волны 700 нм (видимый красный). 

Образец облучали циркулярно-поляризованным светом. С линейно-поляризованным светом знакомы почти все — именно такой излучает экран компьютера, который становится темным, если смотреть на него через поляризационные очки под определенным углом. В случае линейной поляризации, вектор электрического поля световой волны всегда параллелен одному выбранному направлению. В случае циркулярной поляризации, вектор электрического поля вращается по кругу, и является одинаковым по модулю в каждой точке пространства. Фотографы (у которых фотоаппарат с автофокусом) часто имеют дело с CPL фильтрами, которые превращают падающий свет в циркулярно-поляризованный. 

При облучении одиночного цилиндра выяснилось, что у диаграммы направленности второй гармоники сложная форма — она напоминает ромашку с четырьмя лепестками (то есть существуют четыре направления, в которые частица светит сильнее всего). Это происходит из-за симметрии кристаллической решетки. Если менять направление вращения циркулярной поляризации (по часовой стрелке / против часовой), то ромашка как бы «отражается» в зеркале, но при этом суммарная интенсивность второй гармоники не меняется.    

 

Что будет, если сделать димер и повернуть решетку?

В ходе моделирования выяснилось, что если из наноцилиндров сделать димер, то есть поставить рядом две частицы так, чтобы они взаимодействовали друг с другом, то разница в отклике на свет, вращающийся против часовой и по часовой стрелке будет куда существеннее.    

Так, в одном случае генерация второй гармоники будет сильной, а во втором — едва заметной. Проще говоря, если светить на образцы инфракрасным светом, поляризация которого вращается по часовой стрелке, то можно будет заметить сильный видимый свет, генерируемый димером. Если поляризация будет вращаться против часовой стрелки, то сгенерированный свет будет крайне слабым. Ученые стали искать объяснение этому феномену.

«Всю работу потянуло за собой то, что мы не смогли сразу понять даже самые простые свойства подобных структур, — объясняет Михаил Петров. — Ты начинаешь разбираться и тут находишь неочевидные вещи, которые изначально ты даже не искал».

Выяснилось, что причиной нелинейного циркулярного дихроизма — именно так ученые называют такой эффект — стало нарушение внутренней симметрии, что было связано с методикой производства образцов. Цилиндры переносились с одной подложки на другую, при этом их ориентация (относительно своей же кристаллической решетки) оказывалась случайной. Эксперимент воспроизводим и для более простых методов фабрикации.

«При изготовлении подобных наноструктур обычно берут сравнительно большой монокристалл, в котором кристаллическая решетка ориентирована определенным образом. Вырезать или вытравить из него цилиндры можно прямо, а можно под углом к ориентации кристаллической решетки. В последнем случае и будет проявляться наш эффект», — дает пояснение Кристина Фризюк. 

То, почему вырезанные под углом образцы дают такой отклик, объясняется с помощью комбинирования симметрийного анализа и рассмотрения собственных мод. 

«Интересно, что  при попытке как-то упростить рассмотрение, сделать какое-то простое приближение, все сразу рушилось, и эффект исчезал. В задаче оказалось важным рассматривать не одну, а, как минимум, две собственных моды частицы одновременно. В этом смысле, теория оказалась сложнее, чем ожидалось на первый взгляд», — рассказывает Кристина.

После того, как были готовы первые теоретические  результаты, коллега из Австралийского национального университета — Елизавета Мелик-Гайказян, работающая под руководством Юрия Кившаря, провела эксперимент, который полностью подтвердил теоретические предсказания. 

Перспективы применения

Эти наработки можно использовать в будущих научных исследованиях других структур и материалов.

Однако открытие ученых может иметь и вполне прикладное измерение. Системы с такими димерами можно использовать для специальных сенсоров, которые должны обнаруживать так называемые хиральные молекулы.  

«Тот факт, что у нас есть структуры, которые “чувствуют” левую и правую поляризацию света, в перспективе очень полезен, — говорит Михаил Петров. — Дело в том, что также себя ведут хиральные молекулы. Это такие особые молекулы, которые не совпадают со своим зеркальным отражением, как правые и левые перчатки. Так вот, такие молекулы могут иметь важное значение, но с ними все непросто. Так, условно “левая” молекула может быть лекарственной, “правая” — токсином. В 1960-70-ых, была проблема со многими инновационными лекарствами — они давали сильные побочные явления. Выяснилось, что это было как раз из-за того, что производители не полностью отделяли “левые” лекарственные хиральные молекулы от “правых” токсичных. Даже хорошо известный ибупрофен на самом деле состоит из смеси “правых” и “левых” молекул в пропорции 50:50, но активность и свойства этих молекул сильно отличаются».      

В настоящее время ученые продолжают работу над обнаруженным ими эффектом, чтобы понять, как лучше использовать свойства димеров для сенсинга таких молекул.