В последние десятилетия в мире существенно вырос интерес к оптическим свойствам наночастиц — они открывают перед современной наукой и техникой колоссальные возможности в энергетике, медицине, вычислительной технике и других областях. Однако для успешного применения наночастиц для управления светом необходима фундаментальная научная база, разработкой которой занимаются физики во всем мире.

За последние годы молодой физик Университета ИТМО, главный научный сотрудник физико-технического факультета Сергей Макаров опубликовал ряд экспериментальных работ по тематике управления светом на наномасштабе. Он предложил использовать концепцию оптически резонансных полупроводниковых наночастиц и оптические процессы, которые в них протекают, для ряда прикладных задач, связанных с созданием оптических устройств предельно малых размеров.

Дело в том, что в обычном материале, представленном не в виде наночастиц, многие полезные оптические эффекты, связанные с использованием энергии света, очень слабые. Однако благодаря оптическим резонансам ученому удалось добиться их усиления до тысяч раз. Эта работа была отмечена Премией Президента России.

Сергей Макаров
Сергей Макаров

«Сама концепция оптических резонансов в наночастицах была развита немецким ученым Густавом Ми еще в начале XX века, однако не могла тогда найти большого применения для оптических задач из-за отставания экспериментальной инфраструктуры», — рассказывает Сергей Макаров.

Он добавляет, что в последние годы вместе с бурным развитием нанотехнологий в современной оптике наблюдается явный сдвиг в сторону использования резонансных наночастиц для того, чтобы сделать всевозможные устройства более компактными.

«В частности, под руководством почетного профессора Университета ИТМО Юрия Семеновича Кившаря молодые ученые нашего факультета в начале 2010-х начали интенсивно работать над исследованием фундаментальных явлений в диэлектрических резонаторах меньше длины волны как видимого, так и микроволнового диапазоне, — продолжает исследователь. Были экспериментально обнаружены многие удивительные явления, фундамент которым был заложен Ми сто лет назад — это большая коллективная работа всего факультета. Премией же отмечен цикл инициированных мною работ с 2015 года, в которых на основе разработанного высокопроизводительного метода создания полупроводниковых наночастиц и исследованных в них резонансных эффектов была заложена платформа для решения ряда актуальных прикладных задач»

Юрий Кившарь
Юрий Кившарь

Практическое применение

Помимо фундаментального вклада в науку, исследование Сергея Макарова и разработанная им платформа имеет потенциал для целого ряда прикладных задач. Так, ученый впервые представил концепцию сверхбыстрого оптического модулятора на одиночной наночастице. Эта разработка может иметь большое будущее, поскольку потенциально применима для создания оптических чипов и оптических компьютеров.

Обмен данными в них происходит не с помощью электронов, а с помощью фотонов. При этом работать они смогут в десятки раз быстрее, чем современные вычислительные приборы, а энергии потреблять меньше. Прототип разработанного Макаровым модулятора показал скорость срабатывания более 100 ГГц.

«Меня заинтересовал ряд приложений наших работ, посвященных кремниевым наночастицам, в том числе перспективы создания оптического сверхбыстрого модулятора на одной наночастице, — отмечает исследователь. — Дело в том, что для создания оптических компьютеров есть ряд потенциальных ограничений. Люди пытались использовать для модуляции света в них металлические наночастицы, но металл давал большие потери энергии, свет поглощался и происходил его нагрев,. Мы с коллегами предложили использовать одиночную наночастицу кремния, поскольку у нее очень удачный оптический отклик, она не нагревается и при этом перенаправляет свет. Дело в том, что изменение ее внутренних свойств под действием света может приводить к существенным изменениям направления рассеивания. То есть свет на нее падает и рассеивается вперед, если воздействовать на наночастицу сбоку специальным управляющим импульсом, то она начнет рассеивать свет назад. Получается сверхбыстрая наноантенна, которая управляет направлением рассеивания света».  

Лаборатория гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО
Лаборатория гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО

Ближнепольный микроскоп

Также Макаров с коллегами использовал резонансные полупроводниковые наночастицы для создания ближнепольного микроскопа с улучшенными свойствами. Такое устройство способно работать во всем видимом свете и может использоваться для широкого круга задач микрофотоники. Разработка ученых уже реализована и запатентована.

«Когда мы продолжили работать с полупроводниковыми наночастицами, мы обнаружили, что они при определенных условиях способны испускать белый свет, причем так ярко за счет резонансов, что мы даже назвали их в шутку «нанолампочками». В чем интерес? Дело в том, что белый свет невозможно сжать, сфокусировать на масштабе менее длины волны. Даже с лучшей линзой, даже самую синюю часть белого спектра нельзя сжать сильнее, чем до 400 нанометров в воздухе. Это называется дифракционный предел. Но если у нас есть «нанолампочка» размером 100 – 300 нанометров, то мы обходим этот предел с другой стороны. Это можно использовать для улучшения ближнепольных микроскопов, которые используются для изучения оптических свойств микрообъектов», объясняет Сергей Макаров.             

Лаборатория гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО
Лаборатория гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО

Солнечная энергетика и задачи биомедицины

Нашли свое применение исследования Макарова и его коллег и в солнечной энергетике. Ученые показали, что резонансные полупроводниковые наночастицы позволяют лучше улавливать свет в тонкопленочных солнечных батареях, заметно улучшая тем самым их эффективность. При этом стоимость такой технологии сравнительно невелика.

«Мы использовали резонансные свойства наночастиц, так как они обладают низкими потерями, но при это хорошо улавливают свет. Проблема тонкопленочных солнечных батарей в том, что часть солнечных лучей отражаются от их поверхности, или, напротив, проходит сквозь них. Нам же хочется, чтобы максимальное количество солнечного света поглощалось нашими батареями. Эту задачу можно решить, добавив в структуру фотоэлемента светоулавливающие полупроводниковые наночастицы. Раньше для этого использовали частицы металлов, но они нагревались, в результате часть энергии уходило не в питание энергосистемы, а просто в нагрев устройства, которое таким образом могло быть еще и повреждено. А тут мы добавляем наночастицы с низкими потерями — они улавливают больше света и все отдают в активный материал, который их окружает, в нашем случае в перовскит. Таким образом повысилось эффективность батарей», — поясняет исследователь.

Сергей Макаров с коллегами
Сергей Макаров с коллегами

Разработанная платформа применима и для биомедицинских задач, в том числе перспективна для лечения онкологических заболеваний. Исследования подтвердили, что наночастицы позволяют локально выжигать лазером раковые клетки с одновременным контролем температуры и минимизацией риска повредить здоровые клетки.

«Мы с моими аспирантами и коллегами подобрали условия, при которых наши наночастицы греются. Если для фотовольтаики это не нужно, то здесь как раз это очень полезно. Добавляем такую частицу в клетку, направляем на нее свет и разогреваем настолько, что раковая клетка, в которой частица «сидит», разрушается изнутри. При этом соседние здоровые клетки не нагреваются вообще. Вся концепция заключается в одновременном нагреве и контроле температуры. Нагрев осуществляется за счет оптимизации резонансов наночастицы под конкретную длину волну света, лазера. Нам надо было подобрать размер наночастиц и материал — это оксид железа, проще говоря, обычная ржавчина. Контроль температуры осуществляется за счет того, что есть спектр рассеивания, который мы можем сразу регистрировать при нагреве. По его изменению мы с точностью до градуса можем дать локальную температуру наночастицы. Таким образом мы и локально греем, и мерим температуру одновременно», — комментирует Сергей Макаров.

Анвар Захидов (в центре) и Сергей Макаров (справа)
Анвар Захидов (в центре) и Сергей Макаров (справа)

Ученый также подчеркивает, что без условий и уникальной творческой атмосферы, которая сложилась на физико-техническом факультете и в Университете ИТМО, реализация достигнутых результатов была бы невозможна.

«В первую очередь, стоит отметить колоссальную поддержку новых научных направлений со стороны нашего декана П.А. Белова и научного руководителя Ю.С. Кившаря. За последние 10 лет им удалось собрать превосходную команду мотивированных молодых ученых, которые не только накапливают новые знания, но и щедро ими делятся с друг другом, помогая открывать новое. В моём случае я хотел бы отметить, что на факультете мне посчастливилось активно сотрудничать и развивать концепции, лежащие в основе результатов отмеченных Премией, с Валентином Миличко, Дмитрием Зуевым, Антоном Самусевым, Александром Красноком, Иваном Синевым, Михаилом Зюзиным, Михаилом Петровым, Иваном Мухиным и многими другими коллегами. Также я многим обязан своим ученикам — студентам и аспирантам за их самоотверженность и креатив. Это очень талантливые ребята! Ну и, конечно, отдельно хотел бы отметить вклад профессора Анвара Захидова, который вдохновил меня попробовать применить разработанную в ИТМО платформу полупроводниковый нанофотоники для фотовольтаики и оптоэлектроники на основе самых передовых материалов», — заключил Сергей Макаров.

Добавим, что Премия Президента РФ в области науки и инноваций для молодых ученых учреждена в 2008 году. Награда ежегодно присуждается молодым ученым и специалистам за значительный вклад в развитие отечественной науки, разработку образцов новой техники и технологий, которые призваны обеспечить инновационное развитие экономики и социальной сферы, а также укрепление обороноспособности страны. Важное условие: возраст лауреатов премии не превышает 35 лет.

Перейти к содержанию