«Фантастика постепенно становится научным фактом»
Британская премия IET A F Harvey Engineering Research Prize — это престижная международная награда в области инженерных исследований, ежегодно присуждаемая Институтом инжиниринга и технологий (IET) — одним из самых больших и успешных инженерных институтов мира. Впервые награда была присуждена в 2011 году, призовой фонд премии составляет £ 350 000.
В 2016 году обладателем премии стал ученый из сингапурского Института хранения данных (DSI) Арсений Кузнецов. Награда была присуждена за его исследования в области диэлектрической нанофотоники (это новое направление нанофотоники изучает управление светом при помощи слабопоглощающих резонансных наноструктур). В частности, ученый и его группа занимаются разработкой новой концепции диэлектрических наноантенн с малыми потерями. Концепция может найти практическое применение сразу в целом ряде областей: от создания усовершенствованных устройств в медицине и телекоммуникационной отрасли до применения новых возможностей в виртуальной и дополненной реальности и разработки 3D голографических дисплеев.
По словам председателя отборочного комитета IET, сэра Джона О'Рейли, «исследования доктора Кузнецова уже делают фантастику научным фактом».
«Успех этого исследования может привести к взрывному росту в области создания новых продуктов на основе нанофотоники и связанных с ними рынков», — отмечают в оргкомитете премии.
При этом, как заключил сам Арсений Кузнецов на торжественной церемонии во время вручения премии, присуждение престижной инженерной награды может свидетельствовать об успехе всех исследований, которые ведутся в последние годы в области диэлектрической нанофотоники. И самое главное — о весьма внушительных перспективах, открывающихся благодаря развитию этого направления в будущем.
Какие проблемы решает диэлектрическая нанофотоника?
Чтобы эффективно манипулировать светом, необходимо одновременно и независимо управлять как его электрической, так и магнитной компонентами. Но существует проблема: магнитный отклик естественных материалов на оптических частотах очень слаб, а фотонные устройства работают главным образом с электрической частью световой волны. Как раз эту проблему и решает диэлектрическая нанофотоника — ответвление нанофотоники, которое позволяет манипулировать как электрическими, так и магнитными резонансами.
Как это происходит? По словам Арсения Кузнецова, пока подавляющее большинство использующихся в настоящее время структур с магнитным оптическим откликом содержат металлические элементы с высокими потерями на оптических частотах. Это проблема в итоге неминуемо приводит к ограничению их работоспособности. Речь в данном случае идет о так называемых плазмонных наноантеннах — структурах, в основе которых лежит использование металлов (например, золота, серебра, алюминия, меди). Как отмечает Арсений Кузнецов, если говорить о металлах, то эти вещества практически идеальны для работы в радиочастотном диапазоне, но все меняется при переходе к управлению светом на наномасштабе. Так, если мы возьмем то же самое устройство, в основе которого лежат плазмонные материалы, и уменьшим его в миллион раз — до наномасштаба, оно неминуемо будет иметь высокие потери, рассказывает исследователь.
На практике такие ограничения дают о себе знать, в частности, в сенсинге. Этот метод применяется, в биологии, медицине. Практически в любой биохимической лаборатории есть приборы, которые работают на принципе поверхностного плазмонного резонанса, благодаря им можно следить на наномасштабе за тем, как проходит химическая реакция. Уже работающие плазмонные сенсоры могут греться (это происходит как раз из-за потерь), что существенно ограничивает область применения такого метода: к примеру, малую концентрацию того или иного белка, чувствительного к температуре, задетектировать в этом случае крайне сложно.
Качественно новый подход, который должен решить проблемы плазмонных структур, — использование диэлектрических наноантенн. Это структуры на основе материалов с низкими потерями — например, кремния или арсенида галлия. Такие материалы реагируют не только на электрическую компоненту волны, но и на магнитную. Кроме того, в зависимости от формы частицы можно варьировать отклики, что дает гораздо большую гибкость в управлении светом.
Активную работу в этом направлении ведут и в Университете ИТМО: как и Арсений Кузнецов, специалисты лаборатории метаматериалов фактически стояли у истоков диэлектрической нанофотоники. Несколько лет назад ученые решили объединить усилия — Центр нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО и Институт хранения данных в Сингапуре заключили соглашение о сотрудничестве. В рамках коллаборации ученые обменивались опытом и публиковали совместные статьи в таких журналах, как Nanoletters, Laser and Photonics Reviews, Applied Physics Letters.
«В последние два года мы взаимодействовали в рамках соглашения о сотрудничестве, и это взаимодействие было не формальным, а вполне реальным. У нас вышло шесть публикаций, четыре из них в престижных международных журналах», — говорит старший научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Антон Самусев.
Сейчас в лаборатории метаматериалов Университета ИТМО ведутся также исследования оптических свойств диэлектрических кремниевых метаповерхностей, которые будут вести свет в 2D, на плоскости — на потенциальном оптическом чипе, продолжает Антон Самусев. А одна из самых продуктивных совместных работ, подготовленных вместе с группой исследователей из сингапурского Института хранения данных, посвящена экспериментальному обнаружению горячих пятен магнитного поля в диэлектрических структурах. На практике это даст возможность более эффективно детектировать вещества, которые чувствительны к магнитному полю на оптических частотах. В целом же текущие проекты лаборатории метаматериалов, работа над которыми ведется в рамках диэлектрической нанофотоники, касаются исследований в области усиления люминисценции, нелинейных диэлектрических антенн и гибридных наноантенн и метаповерхностей и т.д.
Фотоаппарат на чипе и 3D голографический дисплей — это реально?
Пока же, как отмечает Арсений Кузнецов, ученые могут сделать статическую голограмму, но создание голографического дисплея — задача, которую необходимо решить в будущем. По словам исследователя, следующий вызов в области диэлектрической нанофотоники, с которым еще предстоит работать в научных лабораториях, — это создание перестраиваемых структур, иными словами — получение возможности динамически управлять оптическими свойствами каждой наночастицы в отдельности. Если этот принцип удастся осуществить на практике, это позволит, например, обычному пользователю видеть на экране своего смартфона не обычную двухмерную картинку, а объемное изображение.
«Речь здесь, конечно, идет не о тех голограммах, что показывали в «Звездных войнах», когда над экраном появлялось голографическое изображение. В данном случае, когда вы смотрите на экран смартфона, голограмма находится как будто внутри него, в глубине, но при этом вы можете ее наблюдать в трехмерном формате. Как 3D кино, но без очков. Это очень хорошая история для сферы развлечений», — приводит пример Антон Самусев.
Не исключено, что в будущем благодаря развитию технологий можно будет превращать обычное оконное стекло в дисплей всего одним кликом. Благодаря специально структурированной метаповерхности, нанесенной несколькими очень тонкими слоями на стекло, у пользователя появится возможность, например, затемнять такое «умное окно» или выводить на него трехмерную цветную анимированную картинку.
Кроме того, дальнейшие исследования в области диэлектрической нанофотоники открывают возможности и для развития других сфер. Например, для перестраиваемой плоской оптики, которая позволит уменьшить толщину существующих линз до буквально нескольких сверхтонких слоев, а главное — наделить их динамически управляемыми оптическими свойствами, или вовсе уместить целый фотоаппарат на чипе.
