Конференция SPIE Photonics Europe проходит каждые два года в одном из городов Европы. Так, на прошлую конференцию SPIE Photonics Europe 2016 участники отправились в Брюссель (Бельгия), а для следующей конференции SPIE Photonics Europe 2020 принимающим городом вновь станет Страсбург. Конференция посвящена научным вопросам в области фотоники и оптоинформатики и поделена на несколько секций, среди которых биофотоника, нелинейная оптика, квантовые технологии и другие. Конференция включает проведение постерных секций, устные выступления, выставку новейшего оборудования в области фотоники, организованную ведущими научными центрами Европы. Организацией конференции занимается международное сообщество SPIE Europe Ltd., которое управляет признанными на мировой арене конференциями, образовательными программами и техническими выставками с новыми технологиями в области оптики и фотоники. На счету сообщества проведение таких мероприятий, как SPIE Photonics Europe, SPIE Remote Sensing, SPIE Security+Defence, SPIE Optics+Photonics и других.
Представительницы Университета ИТМО приняли участие в секции «Нанофотоника». Айсылу Камалиева участвует в постерной секции конференции SPIE Photonics Europe уже второй раз. В прошлый раз, будучи магистранткой, Айсылу представила на конференции исследование, посвященное влиянию плазмонных наноструктур на самоорганизацию органических молекул. В этот раз Айсылу презентовала исследование о реализации нового вида плазмонного нанолазера – спазера.
«Обычный лазер состоит из трех элементов: активная среда, система накачки и резонатор, который обычно представляет собой систему из двух или нескольких зеркал. Для миниатюризации мы предлагаем новый подход в реализации резонатора, функцию которого выполняет металлическая наночастица, поддерживающая плазмонные колебания (коллективное движение электронов). За счет этого, резонатор может быть окружен активной средой, в отличии от классического лазера, где среда находится между зеркалами. В качестве активной среды могут быть использованы традиционные для лазерной техники органические красители, а также полупроводниковые квантовые точки. Самое главное достижение нашей работы заключается в том, что мы смогли создать нанолазеры в виде сухой тонкопленочной структуры, которая важна для создания новых электронных устройств, в то время как наши коллеги из других научных групп разрабатывают спазер в коллоидных растворах», – объясняет аспирантка.
В будущем плазмонные нанолазеры можно будет применять при создании совершенного нового класса миниатюрных электронных устройств, а также в гибкой электронике. Благодаря малым размерам композитных структур и оптическому быстродействию, происходящих в них процессов, а также совместимости с известными технологиями, полученный результат может быть быстро внедрен в новую элементную базу для оптических компьютеров и устройств обработки данных.
Другая представительница кафедры оптической физики и современного естествознания– магистрантка Юлия Разумова представила на конференции совместный проект Международного научно-исследовательского центра «Физика наноструктур» Университета ИТМО и Псковского государственного университета.
«Наши коллеги из Пскова обладают технологией создания матриц оксида алюминия с упорядоченными цилиндрическими нанопорами, которые получают самоорганизацией при анодировании алюминия в электролите (то есть при окислении). Такие матрицы являются почти прозрачными в видимом диапазоне, обладают высокой фото- и химической стабильностью. Мы же в лаборатории занимаемся синтезом молекулярных нанокластеров из люминесцирующих красителей, которые нашли широкое применение в различных областях нанофотоники. Мы разработали технологию внедрения нанокластеров в нанопоры матрицы, после чего мы провели исследования оптических свойств полученного композитного материала. В результате исследования был обнаружен достаточно интересный эффект – перенос энергии оптического возбуждения от матрицы к нанокластерам. Оказалось, что варьируя условия анодирования алюминия, можно получить нанопоры, стенки которых имеют кислородные вакансии (такие дефекты в структуре оксида алюминия), обладающие люминесценцией в синей области спектра. Находящиеся внутри пор молекулы могут перенять это оптическое возбуждение, и тогда начинают люминесцировать уже сами нанокластеры, которые изначально светом не возбуждаются», – рассказывает студентка.
По словам Юлии Разумовой, в этом исследовании перед учеными стоит более глобальная задача – разработка применений полученных композитных материалов, поэтому уже проделанная работа, хоть и достигает большого объема, является только предварительным этапом. Тем не менее, программный комитет одной из самых престижных международных конференций SPIE Photonics Europe оценил проделанную работу и принял доклад в качестве устного выступления, несмотря на то, что студенты и аспиранты, как правило, выступают в рамках SPIE Photonics Europe лишь в постерных секциях.
Области применения рассматриваемого композита достаточно разнообразные. Самый простой способ применения – разработка оптического сенсора на различные молекулы, которые могут находиться в окружающей среде в миниатюрных количествах. Пористая структура дает свободный доступ детектируемых соединений к молекулярным нанокластерам, люминесценция которых может изменяться при таком взаимодействии. Кроме того, активированные нанопористые матрицы могут стать активными средами лазеров. Ранее в центре «Физика наноструктур» уже была проведена такая работа по получению вынужденного излучения, однако в том случае использовались мономолекулы, а не молекулярные нанокластеры, обладающие большим преимуществом. С другой стороны, периодическая структура, задаваемая матрицей для люминесцирующих включений, позволяет использовать композиты для реализации фотонных кристаллов, этаких волноводов, которые будут актуальны при создании квантовых компьютеров.
Вторая работа Юлии Разумовой была представлена на конференции в рамках постерной секции и посвящена созданию метода синтеза серебряных наночастиц в виде эллипсоидов, так называемых наностержней. Такие частицы демонстрируют плазмонные резонансы, обусловленные колебаниями свободных электронов. Частота этих колебаний зависит от материала, их геометрических параметров и диэлектрической проницаемости окружающего вещества. В большинстве случаев в ходе синтеза происходит формирование наиболее устойчивых с точки зрения термодинамики сферических частиц. Однако с использованием ряда синтетических подходов возможно получение несферических частиц, плазмонные резонансы которых смещены в сторону больших длин волн относительно резонансов сферических частиц в водной среде. Таким образом, для направленного синтеза частиц вытянутых форм необходимо создавать искусственно анизотропные условия роста. В своей работе Юлия представила методику опосредованного роста зародышей – синтез металлических наностержней на мицеллярных матрицах поверхностно-активных веществ.
«Формирование наностержней – нетипичный процесс. В ходе исследования мы изучили влияние различных компонентов синтеза на формирование и дальнейший рост серебряных наночастиц, а также выбрали оптимальные количества добавляемых реагентов, способствующих получению наиболее длинных наностержней. Таким образом, в ходе синтеза были получены серебряные наностержни с максимальным размером 300 нм и плазмонными резонансами, смещенными в инфракрасную область относительно мелких (10–50 нм) сферических частиц. Мы также выявили, что под воздействием внешнего возмущения, например, электрического поля, данные частицы способны выстраиваться в упорядоченные ансамбли. Наличие дипольного момента в наностержнях и использование внешнего воздействия электрического поля способствуют определенной ориентации данных частиц. Поэтому в дальнейшем планируется разработка методики для создания упорядоченных ансамблей серебряных наночастиц под воздействием электрического поля», – объясняет Юлия Разумова.
Огромный интерес к ближней инфракрасной области обусловлен не только возможностью наблюдения некоторых фундаментальных закономерностей, но и решением ряда прикладных задач. Во-первых, основные телекоммуникационные длины волн лежат в ближней инфракрасной области спектра, что, в свою очередь, обусловлено низкими потерями в кварцевых волоконно-оптических линиях связи. Во-вторых, наночастицы благородных металлов могут быть успешно применены для некоторых задач биомедицины (диагностика и терапия). Так, наностержни использовались в качестве носителей лекарств для их адресной (управляемой) доставки при лечении туберкулеза. Некоторые биологические ткани и жидкости прозрачны в ближнем инфракрасном диапазоне спектра, поэтому наночастицы, синтезированные из благородных металлов, могут быть успешно применены для диагностики и фотодинамической терапии, например, заболеваний кожи, кроме того, было доказано, что подобные частицы нетоксичны для живых организмов.
