Работа опубликована в журнале Nano Letters.
Фундаментальный шаг вперед
Проект продолжает многолетнее исследование комбинационного рассеяния на полупроводниковых наночастицах, которое проводится в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО. Этот эффект активно используется для детектирования физических состояний вещества и явлений внутри молекул: в зависимости от их химической связи свет, попавший на молекулу, может рассеяться либо упруго, либо с изменением своей частоты.
Но обычно обратный сигнал получается очень слабым: если представить себе свет в виде потока фотонов, то из нескольких десятков миллионов только один может рассеяться неупруго и дать необходимую информацию наблюдателю. Из-за этого ждать сигнал приходится очень долго. Это затрудняет использование такого метода измерения в некоторых задачах, например, связанных с биологическими процессами.
Переход от спонтанного к вынужденному рассеянию позволяет увеличить сигнал в несколько раз — и, в свою очередь, значительно ускорить процесс измерения. Более того, выяснилось, что такой метод позволяет не только измерять температуру молекулы или наночастицы, но и эффективно нагревать ее.
«В своих более ранних работах мы брали наночастицы с определенными геометрическими параметрами, которые позволяли увеличивать сигнал комбинационного рассеяния за счет более эффективного захвата и удержания света — так мы получали больше сигнала, но приходилось ждать, когда свет накопится внутри частицы. Поэтому мы задались вопросом, как можно дальше улучшать этот сигнал, и поставили перед собой цель дополнительно оптимизировать наночастицы, чтобы перейти в совершенно другой режим — вынужденного комбинационного рассеяния, который сам по себе является трудно достижимым. Мы достигли этого при помощи многостадийной оптимизации, теоретические расчеты для которой были проделаны моими учениками ― бакалавром Даниилом Рябовым и экспериментально проверены аспирантом Георгием Зографом», — рассказывает руководитель лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО Сергей Макаров.
Он добавляет, что оптимизация получается за счет изменения формы и размеров наночастиц. Также ученые исследовали влияние теплоотвода. В результате оказалось, что наночастица на хорошо проводящей тепло подложке, например, на сапфире, позволяет достигать необходимых режимов взаимодействия и при этом избегать перегрева. При этом процесс полностью контролируемый ― ученые могут одновременно и нагревать, и контролировать температуру частицы.
Нетривиальная задача
Значительный вклад в работу сделал бакалавр третьего курса физико-технического факультета Даниил Рябов — именно он рассчитал наиболее оптимальные и эффективные параметры наночастицы.
Чтобы осуществился переход к вынужденному комбинационному рассеянию, должны одновременно выполняться сразу несколько условий. Первостепенную роль играют размер частицы и ее резонансность (Ми-резонанс). Однако, даже если частица по своим характеристикам способна поглотить большое количество световой мощности, еще не значит, что переход к вынужденному рассеянию произойдет. Необходимо добиться того, чтобы свет в частице не только поглотился, но и распределился наиболее равномерным образом.
Комбинационное рассеяние работает на длине волны 654 нанометра, возбуждать же его нужно волной другой длины — 633 нанометра. Для этого состояние электромагнитного поля внутри оптического резонатора (мода) должно каким-то образом пространственно пересечься с модой исходного излучения от лазера — этот процесс называется спариванием и является весьма нетривиальной задачей. Даниил же смог рассчитать все размеры и параметры установки таким образом, чтобы все эти условия соблюдались.
Для этого был взят диск размером 600 на 500 нанометров, состоящий из кремниевого цилиндра на сапфировой подложке. Он облучался лучом красного света, излучаемым гелий-неоновым лазером, остро сфокусированным в пятно сечением меньше одного микрона при помощи оптического объектива со стократным увеличением. Рамановский сигнал выходил из образца и собирался тем же объективом, который затем направлял его в высокочувствительный спектрометр через специальных фильтр.
Использование в качестве подложки полупроводников вроде кремния и арсенида галлия позволяет значительно усиливать сигнал комбинационного рассеяния. Это происходит за счет того, что они не только усиливают электромагнитное поле вокруг себя — для лучшего фокусирования и захватывания света, — но и, как выяснилось, сами по себе являются источником рассеяния.
Во-вторых, полупроводниковые частицы эффективно греются при освещении лазером. В результате получается готовая платформа для сенсинга, которая выступает одновременно и термометром, и нагревателем. Более того, реализация платформы именно на кремнии — одном из главных элементов как оптики, так и микроэлектроники — значительно упростит будущее технологическое внедрение разработки.
Следующий шаг
Как рассказывает один из авторов работы Георгий Зограф, аспирант физико-технического факультета и сотрудник лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники, этот проект совместил в себе сразу нескольких разработок ученых Нового физтеха Университета ИТМО: исследование способности отдельного нанодиска долго удерживать свет (статья была опубликована в Science), проект самого маленького в мире нанолазера на основе светоизлучающих полупроводниковых кубиков (статья была опубликована в ACS Nano) и собственные работы лаборатории по изучению комбинационного рассеяния.
«Это не готовый продукт и не готовое применение для народного хозяйства, но это очень важная работа с точки зрения фундаментальной науки, значительный шаг вперед. Сложив весь наш опыт, нам удалось доказать возможность наноразмерных источников вынужденного комбинационного рассеяния. То есть нам удалось создать такую сложную вещь, как вынужденное комбинационное рассеяние, на объекте, который во всех трех измерениях является нанометровым. Если объект очень маленький, его очень легко можно перегреть — а это очень плохо для любых оптических применений. Благодаря тому, что мы знаем, как мерить температуру наночастицы, нам удалось закачать в нее достаточную мощность для появления эффекта вынужденного комбинационного рассеяния — при этом не дав нашему нанообъекту перегреться и сгореть», — замечает Георгий Зограф.
Однако идеи о возможных будущих применениях разработки уже есть. В ИТМО уже были проведены исследования того, как полупроводниковые наночастицы могут использоваться в качестве контролируемых носителей лекарств. Благодаря тому, что эти частицы могут эффективно поддерживать оптический нагрев, такая полимерная оболочка легко лопается при облучении лазером и высвобождает лекарство — именно в том месте и в тот момент, когда это необходимо.
При спонтанном комбинационном рассеянии такой метод применять достаточно сложно — в силу слабости сигнала приходится тратить много времени и сил на то, чтобы его собрать. Переход же к вынужденному конденсионному рассеянию поможет более эффективно как запускать, так и контролировать этот процесс.
Учитывая потенциал технологии, в дальнейшем планируется повышать ее эффективность за счет оптимизации как параметров наночастицы, так и подложки.
«Хотелось бы продолжить исследования в данном направлении и улучшить текущие результаты. Полагаю, моя бакалаврская выпускная квалификационная работа будет также связана с вынужденным Рамановским рассеянием, поэтому приложу все усилия для решения задачи. Думаю, что продолжу обучение в магистратуре Нового физтеха ИТМО, так что хорошо, что планы дальнейшей научной деятельности есть уже сейчас», — комментирует Даниил Рябов.
Статья: George Zograf, Daniil Ryabov, Viktoria Rutckaia, Pavel Voroshilov, Pavel Tonkaev, Dmitry Permyakov, Yuri Kivshar and Sergey Makarov. Stimulated Raman scattering from Mie-resonant subwavelength nanoparticles. Nano Letters, 2020.
