Оптическая ячейка Университета ИТМО – самая крупная в России, в ее состав входит 51 участник. Сегодня ячейка объединяет в себе филиалы трех международных научных организаций – SPIE, OSA и IEEE. Каждый год участники оптической ячейки подают заявки на стипендии этих организаций. Как правило, кроме актуальности и содержания проекта, комиссия обращает пристальное внимание на организационную и научную деятельность кандидатов. Пять участников ячейки, выигравших стипендии SPIE в этом году, регулярно принимают участие в конференциях и симпозиумах разных стран, а также сами организовывают образовательные мероприятия.
Максим Масюков, четвертый кургс бакалавриата, кафедра фотоники и оптоинформатики, лаборатория «Терагерцовая биомедицина»
Я занимаюсь исследованием двумерных киральных метаматериалов, или метаповерхностей. Слово «киральность», происходящее из греческого языка, было введено Лордом Кельвином в 1893 году, и обозначает отсутствие внутренней зеркальной симметрии в объекте. Впервые данное свойство было обнаружено Луи Пастером, исследовавшим возможность вращения плоскости поляризации излучения кристаллами соли виноградной кислоты. Он обнаружил, что оптически неактивная виноградная кислота является смесью равных долей правовращающей и левовращающей винных кислот. Оптически активными являются и киральные метаматериалы. В моем проекте рассматривается возможность менять поляризацию излучения при помощи киральной метаповерхности с графеновыми включениями. Меняя электрохимический потенциал графена, достигается возможность сменять состояние поляризации пройденного через метаповерхность излучения. В дальнейшем на основе данного исследования можно создать поляризационный фильтр достаточно небольших размеров, который можно применять в исследованиях в области биофотоники, например, изучать отклик онкологических тканей на излучение с различным состоянием поляризации.
Исследование киральных метаповерхностей с управляемыми характеристиками является продолжением проекта, за который я в этом году получил стипендию микроволнового сообщества IEEE MTT. В предыдущем проекте опытные образцы были изготовлены при помощи лазерной гравировки, при реализации текущего исследования графен накладывает некоторые ограничения на производство метаповерхности. Однако данным вопросом я планирую заняться после окончания теоретических исследований.
Александр Гребенчуков, аспирант третьего года, кафедра фотоники и оптоинформатики, лаборатория «Терагерцовая биомедицина»
Мой проект посвящен исследованию новых двумерных материалов в терагерцовом диапазоне частот. Самый популярный двумерный материал, как известно, графен, однако сегодня на него возложены слишком большие надежды, которые себя не оправдывают, поэтому научное сообщество активно занимается поиском новых материалов. При сотрудничестве с Университетом Эксетера мы пытаемся искать новые двумерные материалы, в том числе на основе графена. Ими могут быть как химически-модифицированные варианты, так и многослойные структуры из графена. Мы исследуем их свойства, в частности влияние оптического излучения видимого и инфракрасного диапазонов на оптические и электрические свойства в терагерцовом диапазоне частот. Проект полезен тем, что такие двумерные материалы могут быть интегрированы в состав метаматериалов в качестве управляемой, перестраиваемой части. Уже достаточно давно предпринимаются попытки создавать и разрабатывать именно перестраиваемые метаматериалы, свойства которых можно менять после их изготовления, поскольку гораздо удобнее и выгоднее иметь одно устройство с управляемыми характеристиками для разных задач, чем несколько устройств для каждой отдельной задачи. Одним из возможных вариантов решений является использование как раз двумерных материалов в составе метаматериалов, которые позволят управлять свойствами метаматериалов. Мы предлагаем оптическое управление, то есть с помощью оптического излучения видимого и инфракрасного диапазона управлять свойствами метаматериалов в терагерцовом диапазоне частот. Отрицательной стороной такого подхода является необходимость иметь дополнительный источник излучения. Однако в это же время мы выигрываем в быстродействии: если произвести облучение фемтосекундными импульсами, то перестройка будет очень быстрой, так как зачастую время отклика определяется рекомбинационными и релаксационными процессами в двумерных материалах (в данном случае они будут очень быстрыми). Такую разработку можно использовать как сверхбыстрый модулятор в популярном направлении – терагерцовой связи.
Александр Чернядьев, магистрант первого курса, кафедра информационных технологий топливно-энергетического комплекса, Лаборатория «Терагерцовая биомедицина»
Мой проект посвящен проблеме достижения сверхразрешения в терагерцовом диапазоне частот за счет кубических структур или структур в виде параллелепипеда на подложке. В 2000-х годах был открыт эффект «наноджета», особенность которого заключается в том, что излучение, проходя через микроструктуру или микрочастицу сферической формы, фокусируется в очень узкий пучок, и ширина пучка в сечении поперечном направлению распространения может быть меньше, чем дифракционный предел излучения. В 2014 году впервые стали употреблять термин «тераджет», говоря о том же самом эффекте, но в терагерцовом диапазоне частот (ТГц). Дифракционный предел излучения, в свою очередь, фундаментальное понятие, которое ограничивает разрешающую способность любого прибора. Так что, если длина волны излучения выбрана из короткой области видимого диапазона 380-400 нм, то детали размерами менее 200 нм будут неразличимы. Например, две линии, находящиеся на расстоянии меньше 200 нм друг от друга, будут сливаться в одну для наблюдателя. Однако с годами предел был преодолен различными методами в различных диапазонах. Мы занимаемся одним из методов преодоления дифракционного предела в терагерцовом диапазоне частот: ширина пучка, который мы получали на выходе из исследуемой структуры, была гораздо меньше, чем половина длины волны в зависимости от размеров структуры, а также от показателей преломления структуры. Надо заметить, что структуры, с которыми мы работаем, очень просты в изготовлении. Мы создавали такие структуры с помощью обыкновенного 3D принтера методом послойного наплавления пластика. Однако изготовление образцов может быть произведено не только послойным наплавлением, но и фотополимеризацией – это более дорогой, однако более точный способ. Создавая структуры первым способом, мы можем столкнуться с проблемой шероховатости и неоднородности структуры. На выходе мы получаем возможность создавать устройства, которые могут помочь рассмотреть объекты со сверхразрешением в терагерцовом диапазоне частот. Разработку можно применять в медицине. Так как регулярно создаются новые источники и детекторы излучения, то актуально и создание новых устройств для визуализации различных биологических тканей с целью рассмотреть их со сверхразрешением.
Святослвав Гусев, аспирант четвертого года, кафедра фотоники и оптоинформатики, лаборатория «Терагерцовая биомедицина»
Я работаю в области импульсной ТГц спектроскопии и занимаюсь разработкой технологии для неинвазивной глюкометрии. Известно, что в мире семь процентов населения страдают от заболевания сахарным диабетом – каждому из больных приходится прокалывать пальцы порядка пяти раз в день, чтобы определять уровень глюкозы в крови. Мой проект заключается в разработке такой технологии, чтобы прокол пальца больше не требовался, вместо этого было бы достаточно всего лишь прикоснуться к прибору и узнать концентрацию глюкозы в крови. В ходе работы возникает ряд сложностей, среди которых, например, необходимость повышения избирательности сигнального отклика именно к глюкозе, а не к другим составляющим. Мои коллеги, Александр Гребенчуков, Максим Масюков и Александр Чернядьев, работают в нашей Лаборатории терагерцовой биомедицины под научным руководством Михаила Ходзицкого над созданием метаматериалов, с помощью которых мы намерены повышать избирательность сигнала именно к глюкозе. Я считаю, подобное сочетание нескольких направлений в рамках одной лаборатории позволяет решать научную задачу одновременно с разных сторон и выявлять оптимальные решения. На настоящий момент получен ряд первичных данных. Однако мы работаем над совершенствованием технологии, и при помощи численного моделирования уже подтвердили правильность наших ожиданий от эксперимента.
В направлении неинвазивной глюкометрии работают десятки научных коллективов по всему миру, однако диабетикам по-прежнему приходится пользоваться глюкометрами и прокалывать пальцы, поскольку проекты, позволяющие производить неинвазивные измерения, выходит на рынок крайне медленно. Мы чувствуем, что можем изменить мир, и продолжаем нашу работу.
Сергей Лепешов, магистрант первого курса, кафедра нанофотоники и метаматериалов, лаборатория «Метаматериалы»
Я занимаюсь несколькими направлениями, включающими диэлектрическую нанофотонику, метаповерхности, наноантенны, двумерные полупроводниковые материалы и терагерцовые источники. Все эти направления я кратко описал в своем эссе в заявке для SPIE. Однако большее внимание в эссе я уделил наиболее актуальному направлению – взаимодействию двумерных полупроводников, однослойных дихалькогенидов переходных металлов (1L-TMDC) с оптическими наноструктурами. Этим направлением я начал заниматься год назад, и с тех пор мне удалось достичь значительных успехов, в частности, показать, что в системе кремниевая наночастица в оболочке из монослоя TMDC достигается сильная связь между экситоном в TMDC и оптической моды наночастички, что приводит к формированию так называемых гибридных состояний света. Такой эффект интересен, поскольку на его основе можно создать наноразмерный поляритонный лазер – лазер, который использует в качестве излучающих частиц не электроны, подчиняющиеся статистике Ферми-Дирака и использующиеся в большинстве современных лазеров, а поляритоны – смешанное состояние фотона и экситона, чье поведение описывается статистикой Бозе-Эйнштейна. Такие лазеры обладают низкими порогами перехода из простого светоизлучающего режима в режим лазерной генерации и потенциально могут применяться в фотонных чипах.
