Кристаллы ― это твердые вещества, которые имеют периодическую структуру, то есть при смещении атомов на некоторое расстояние они в точности займут места, в которых находились другие атомы до перемещения. Полностью данный факт был доказан учеными в начале XX века, что дало старт современной физике твердого тела, а также заложило фундамент для развития полупроводниковых технологий.
«Компьютеры, смартфоны, светодиодные лампы, лазеры ― все то, без чего так сложно представить нашу повседневную жизнь, было спроектировано благодаря пониманию природы кристаллической структуры полупроводниковых материалов, ― рассказывает доцент Нового физтеха Университета ИТМО, доктор наук Михаил Рыбин. ― Теория периодических структур позволяет сделать вывод, что волны, будь то свет, электроны или звук, могу двигаться только двумя способами. Либо волна распространяется в кристалле по направлению вперед, либо быстро затухает на частотах так называемой запрещенной зоны. Других вариантов нет, что чрезвычайно упрощает законы распространения частиц, существенно облегчая инженерные задачи».
Однако для создания некоторых устройств нужно, чтобы кристалл не пропускал волну и не гасил ее, а на некоторое время задерживал в себе. Иными словами, необходима своеобразная «ловушка» для света.
«Например, для работы лазеров или сенсоров нужно, чтобы волна несколько раз прошла через рабочую область прибора, чтобы поднять на порядок эффективность ее взаимодействия с активным элементом, ― объясняет Михаил Рыбин. ― Огромный интерес представляет создание такой "ловушки" именно для света, потому что его очень тяжело удержать в малой области пространства. Это важная технологическая задача современной физики».
Чем больше, тем интереснее
В идеале в качестве «ловушки» должен выступать весь материал, ведь чем больше будет объем удержания света, тем эффективнее будет взаимодействие волны с активным веществом. Однако в случае с кристаллом это невозможно. Он, как уже отмечалось, может только гасить волну или пропускать.
«Как альтернатива ― есть возможность локализации света в беспорядочных структурах, например, в порошках, ― продолжает Михаил Рыбин. ― Однако мы не можем достигнуть воспроизводимости в таких системах. В одном образце частицы расположились одним образом, в другом ― иначе. Для прикладных задач нужно что-то пригодное для массового производства одинаковых устройств».
Есть и третий путь ― можно использовать промежуточный тип материалов, в которых частицы не образуют периодических решеток, как в кристаллах, но при этом имеют математически строгую упорядоченность. Такие структуры называются квазикристаллами, они были обнаружены в 1980-х годах и с тех пор изучаются физиками.
«Из-за того, что в квазикристаллах нет периодичности, в них отсутствует и ограничение, что волна может либо проходить прямо без потерь, либо быстро затухать, ― рассказывает Михаил Рыбин. ― В 2017 году была опубликована работа, в которой предсказывалась локализация света в квазикристаллчиеских структурах, нам предстояло ее подтвердить экспериментально».
Проще сказать, чем сделать
За почти 40 лет изучения квазикристаллов физики хорошо поняли их структуру, научились моделировать ее на компьютере. Но проблема в том, что такие квазикристаллы не так-то просто синтезировать на микроуровне.
«Тут нам приходит на выручку развитие технологии, ― рассказывает аспирант Нового физтеха Артем Синельник. ― На нашем факультете есть установка трехмерной нанопечати, где воксель (минимальный объем печати ― прим. ITMO.NEWS) в размерах составляет примерно полмикрона, это в сто раз меньше толщины человеческого волоса. С ее помощью мы создали структуру квазикристалла со сложноструктурированным распределением материала в трехмерном пространстве».
После создания образцов ученые приступили к их предварительному изучению. Они проанализировали качество поверхности с помощью электронного микроскопа. Далее исследователи провели оптические измерения, призванные подтвердить, что внутренний объем образца на самом деле имеет квазикристаллическую структуру.
«После этого мы сделали эксперимент, ― поясняет первый автор работы Артем Синельник. ― На квазикристалл посылали короткий импульс света и измерили так называемое послесвечение. И мы обнаружили, что свет выходит из наших образцов с задержкой, то есть волна удерживается внутри достаточно продолжительное время. Таким образом, мы подтвердили возможность поймать свет в объемном полимерном квазикристалле».
Перспективы
В настоящее время работа является исключительно фундаментальной, показывающей основные оптические свойства полимерных квазикристаллов, созданных при помощи трехмерной нанопечати, их способность к локализации света. Однако, как отмечают авторы, исследование может иметь и практические последствия в будущем.
«К примеру, обычно лазер построен на том, что у нас есть активная область, в которой свет локализуется при помощи достаточно большого внешнего резонатора. Соответственно, мы в этой работе показали, что квазикристалл может совмещать функционал активной среды и резонатора в единой структуре», ― объясняет Михаил Рыбин.
Ссылка: Artem D. Sinelnik Ivan I. Shishkin Xiaochang Yu Kirill B. Samusev Pavel A. Belov Mikhail F. Limonov Pavel Ginzburg Mikhail V. Rybin. Experimental Observation of Intrinsic Light Localization in Photonic Icosahedral Quasicrystals. Adv. Optical Mater. 2020/10.1002/adom.202001170
