Результат опубликован в первом номере Advanced Photonics Research — новом журнале авторитетного издательства Wiley, которое выпускает также Laser & Photonics Reviews, Advanced Optical Materials, Advanced Science и множество других изданий с высоким импакт-фактором.

Невозможное устройство

Отличительная особенность плазмонных нанолазеров в том, что размер устройства получается гораздо меньше длины волны генерируемого им излучения. Появление таких устройств теоретически было предсказано в 2003 году Марком Штокманом из Университета штата Джорджия и Давидом Бергманом из Университета Тель-Авива — тогда они назвали его спазером (по аналогии с лазером, но первые буквы означают «surface plasmon»). А первые экспериментальные доказательства были получены коллективом ученых под руководством Михаила Ногинова из Государственного университета Норфолка — результат их работы был опубликован в Nature.

Тем не менее, до сих пор в научном сообществе оспаривают возможность существования такого устройства.

«Михаил Ногинов показал, что генерацию энергии в наночастицах можно получить, если их положить в коллоидный раствор с красителем — так задействуются поверхностные плазмоны. У них получился лазер размером 44 нанометра, который излучал свет, длина волны которого больше 500 нанометров. Но возникло много причин для критики, в частности, ученые посчитали, что в данном случае генерация появляется за счет эффекта многократного рассеяния излучения на частицах и их агломератах в активной среде — этот механизм давно известен и называется случайным лазером (random laser). При этом плазмоны не задействованы. А значит, никакое специальное устройство изобрести невозможно», — рассказывает руководитель группы исследователей Никита Торопов, научный сотрудник Международного центра Физики наноструктур.

Плазмон — это квант коллективных колебаний электрона, который возникает в металле, если его облучать светом или пучком электронов. По сути это коллективное, сфазированное колебание электронов, которое возникает в наночастицах (в частности, в коллоидном растворе серебра) под действием возбуждающего излучения.

Такая модель является умозрительной — увидеть этот процесс изнутри нельзя, но она общепринята, так как достаточно хорошо описывает процесс. В итоге получается тот же эффект, как и в обычных фотонных лазерах, только в миниатюре.

«Нам работа Ногинова показалась убедительной, и мы стали разрабатывать эту тему. Сначала мы начали просто модифицировать его эксперимент — от объемного коллоидного раствора, где может рассеиваться свет и создаются условия для случайного лазера, мы переместили всё на подложку, где это многократное рассеяние было подавлено. На ней мы создали наночастицы, добавили тонкую пленку красителя, получили эту генерацию, и потом изучали ее свойства — чтобы точно доказать всем критикам, что это именно лазерная генерация», — продолжает Никита Торопов.

Ультимативные доказательства

Первый признак лазерной генерации — это появление узкой полосы излучения в спектрах люминесценции молекул красителя, которую наночастицы как раз усиливают. Но сам по себе такой результат допускает возражения. Поэтому следующим шагом было продемонстрировать, что генерируемое в устройстве излучение отличается по своим характеристикам от усиленной люминесценции: оно более упорядоченно, когерентно, его энергия нелинейно зависит от энергии накачки и оно имеет выделенное направление. Финальным аргументом стало доказательство, что получаемое в устройстве излучение линейно поляризовано.

«Если вы берете тонкую пленку молекул красителя и измеряете ее флуоресценцию, то обнаружите, что она не поляризована. Если же в этой пленке есть наночастицы, которые создают генерацию вынужденного излучения, то у этого излучения есть четкая линейная поляризация. Это не может быть интерпретировано никак иначе», — объясняет Никита Торопов.

Долгий путь к публикации

Работа над проектом началась в 2014 году — когда один из авторов статьи, Айсылу Камалиева, поступила в ИТМО на международную магистерскую программу «Физика и технология наноструктур» и начала свою научную деятельность в лаборатории «Фотофизика поверхностей» под руководством Никиты Торопова и профессора факультета Фотоники и оптоинформатики Тиграна Вартаняна.

С того момента прошло уже шесть лет, но полноценная статья появилась только сейчас — ученым хотелось собрать как можно больше неоспоримых доказательств. Однако промежуточные результаты исследования были представлены на международных конференциях, в частности, на SPIE Photonics Europe в 2016 году и Nanophotonics and Micro/Nano Optics 2018, где удалось встретиться с авторами концепции плазмонных нанолазеров Михаилом Ногиновым и Марком Штокманом.

В научном сообществе высоко оценили проделанную работу, а в 2019 исследователи смогли получить грант Президента Российской Федерации на завершение всех экспериментов.

Изначально статья была отправлена в Laser & Photonics Reviews, но редакторы предложили опубликовать ее в новом журнале того же издательства — Advanced Photonics Research. Важно, что новый журнал выпускается в открытом доступе, а это значит, что статья будет доступна для максимально широкой аудитории. Это повышает возможность цитирования, а также шанс на коллаборации и сотрудничество с другими исследователями. То, что журнал совсем новый и не обладает импакт-фактором, авторов не пугает.

«Когда Nature запускал какие-то новые журналы, те тоже поначалу не обладали никаким импакт-фактором. Но по прошествии пары лет их импакт-фактор просто взлетел до небес. Мы думаем, что Advanced Photonics Research в скором времени окажется одним из ведущих в области фотонных технологий. В редакционную коллегию входит множество ведущих ученых из области фотонных технологий. Нужно отметить, что среди членов редколлегии журнала есть и Сергей Макаров из Университета ИТМО», — отмечает один из авторов работы Антон Старовойтов, доцент факультета Фотоники и оптоинформатики.

Важность для фундаментальной науки

Исследователи с самого начала были ориентированы на решение задач фундаментальной науки, а не на выведение проекта в прикладную область. Важно было продемонстрировать саму возможность существования такого устройства, доказать, что частица размером в несколько десятков нанометров действительно может генерировать излучение с длиной волны порядка сотен нанометров, исследовать физические процессы, которые стоят за этим явлением.

Однако плазмонные нанолазеры имеют большой потенциал для практического применения. Они могут стать основой для создания нового класса миниатюрных устройств — в качестве элементов оптической обработки информации потенциально могут использоваться в гибкой электронике. Также активно изучается возможность применения нанолазеров в биомедицине, например, в фотодинамической терапии раковых заболеваний, диагностике и в качестве сенсоров для биоанализов.

Статья: Aisylu Kamalieva, Anton Starovoytov, Sajid Zaki, Tigran Vartanyan, Nikita Toropov. Polarized Stimulated Emission of 2d Ensembles of Plasmonic Nanolasers. Advanced Photonics Research, 2020/10.1002/adpr.202000083.