Нанофотоника: от междисциплинарных исследований к новым технологиям

НАНОЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

наука

открывает тем, кто Ей служит, грандиозные перспективы.

ФРЕДЕРИК ЖОЛИО-КЮРИ

нанофотоника: от междисциплинарных исследований к новым технологиям

Сергей Гапоненко,

завлабораторией нанооптики Института физики им. Б.И. Степанова, член-корреспондент

Физическая оптика, оптоэлектроника, лазерная физика, материаловедение, коллоидная химия, молекулярная физика породили новое направление в науке и технологиях - фотонику. Под данным понятием подразумевают все, что связано с исследованием, получением и применением электромагнитного излучения видимого, ближнего ультрафиолетового и ближнего инфракрасного диапазонов. Нанофотоника стала новым, активно развивающимся разделом современной физики и технологий, междисциплинарной областью, где оптика объединяется с физикой наноструктур и нанотехнологиями.

Нанофотоника изучает распространение, преобразование,испускание и поглощение оптического излучения в наноструктурах, а также ставит своей целью использовать особенности распространения и взаимодействия излучения с веществом в наноструктурах в технике: от систем связи и преобразования информации до биосенсоров и биочипов.

В нанофотонике выделяют несколько направлений, базирующихся на глубоких физических явлениях. Первое - квантовые размерные эффекты и их влияние на оптические свойства вещества (нанокри-

сталлы и гетероструктуры с характерным размером 2-10 нм). Второе - влияние пространственного ограничения на условия распространения излучения (концепция фотонных кристаллов, локализации света и др., характерный период или размер неоднородностей 50-200 нм). Третье - изменение вероятности квантовых переходов в сложных структурах, на границах раздела диэлектриков, в микрорезонаторах (размер структур 50-200 нм). Четвертое - изменение условий распространения, концентрация излучения и усиление вторичного свечения в металлических наноструктурах

ТЕМА НОМЕРА

(наноплазмоника, характерный размер металлических объектов - 10—100 нм).

Ожидается, что развитие нанофото-ники приведет в ближайшие десятилетия к созданию оптической микросхемотехники, микро- и нанолазеров, эффективных модуляторов и переключателей света, люминофоров, биосенсоров и биочипов. Основные разделы нанофотоники в контексте их практических применений представлены в табл. 1.

Нанофотоника зарождалась в течение многих десятилетий внутри различных направлений науки без обозначения причастности к нанотехнологиям и задолго до появления этого бренда в научно-техническом лексиконе.

Сегодня белорусские ученые, работающие в данной области, известны во всем мире. Их статьи печатают лучшие международные журналы, результаты принимались в качестве пленарных и приглашенных докладов на десятках престижных конференций. Ими получены приоритетные результаты в различных сегментах нанофотоники [1—7].

Наши исследователи систематически изучали оптические свойства полупроводниковых нанокристаллов, что позволило перейти от фундаментальных исследований к прикладным, направленным на получение новых оптических материалов, компонентов лазерной техники, биомаркеров и биочипов. Эти исследования получили развитие в НАН Беларуси (Институт физики им. Б.И. Степанова, Институт

молекулярной и атомной физики - ИМАФ), БГУ (НИИ физико-химических проблем), Гродненском госуниверситете им. Я. Ку-палы. Они стимулировали широкое применение нанокристаллических структур в качестве лазерных затворов для получения импульсов пико- и наносекундной длительности целой гаммы твердотельных лазеров (БНТУ).

Белорусские ученые активно участвуют в исследовании и создании структур, обозначаемых ключевым словосочетанием «фотонный кристалл», которое подразумевает структуризацию вещества на масштабе длины световой волны с целью получения новых оптических свойств. В Институте физики им. Б.И. Степанова и ИМАФ были предложены методы получения диэлектрических наноструктур с трехмерной периодичностью на основе коллоидных кристаллов.

В исследованиях взаимодействия излучения и вещества особое место занимает изучение динамики квантовых переходов в фотонных кристаллах. В Институте физики построена последовательная квантово-электродинамическая теория испускания света в фотонных кристаллах (доктора физико-математических наук С.Я. Килин и Д.С. Могилевцев), выполнены экспериментальные исследования динамики квантовых переходов в фотонно-кристаллических коллоидных структурах, разрабатывается теория резонансного и комбинационного рассеяния света в наноструктурах. Среди теоретических изы-

сканий следует отметить работы доктора физико-математических наук С.А. Мак-сименко (БГУ), разработку в ИМАФ НАН Беларуси теории распространения излучения в упорядоченных дисперсных средах с учетом многократного рассеяния и интерференции рассеянных волн (А.Н. По-нявина), построение теории планарных фотонно-кристаллических волноводов (А.В. Лавриненко, БГУ), позволяющих манипулировать световыми потоками в микроустройствах. Развитие концепции фотонных кристаллов оказало влияние и на такую традиционную область, как оптика тонких пленок и слоистых сред. Предложен и реализован метод создания планарных широкоугольных диэлектрических зеркал, разработана теория распространения волн в средах с фрактальной геометрией (БГУ, ИМАФ), оптимизированы методы создания тонкопленочных нелинейно-оптических элементов (академик А.П. Войтович, Институт физики, А.В. Хом-ченко, Институт прикладной оптики НАН Беларуси), выполнена серия экспериментов по изучению сверхбыстрых процессов в наноструктурах с фемтосекундным временным разрешением (С.А. Тихомиров).

В современной нанофотонике значительное место занимает целенаправленное исследование оптических процессов в металло-диэлектрических наноструктурах. Такие наноструктуры позволяют локально сформировать гигантское электромагнитное поле из-за размерно-зависимых плазмонных резо-нансов в металлических наночастицах и возбуждения поверхностных плазмонных мод. В Гродненском государственном университете доктор физико-математических наук С.А. Маскевич с сотрудниками разработал практические методы создания активных металло-диэлектрических наноструктур, в которых интенсивность комбинационного рассеяния света увеличивается на несколько порядков. Это имеет важное прикладное значение для высокочувствительного спектрального анализа в экологических, медицинских и биологических исследованиях. Например, один из методов ранней диагностики онкозаболеваний основан на обнаружении присутствия в организме так называемых онкомаркеров — специфических белков,

Таблица 1. Основные физические явления в нанофотонике и области их возможного применения

Группа физических явлений

Квантовые размерные эффекты

Пространственное ограничение электромагнитных волн

Изменение вероятности квантовых переходов в наноструктурах

Сильные локальные поля в металло-диэлектрических наноструктурах

Основные оптические проявления

Размерная зависимость спектров поглощения, люминесценции, возбуждения люминесценции, скоростей релаксационных и рекомбинационных процессов

Формирование оптической зонной структуры, спектрально-селективное распространение излучения,локализация излучения, изменение вероятностей испускания и рассеяния света

Увеличение или уменьшение квантового выхода люминесценции

Гигантское комбинационное рассеяние света, усиление и тушение фотолюминесценции

Возможные области применения

Новые оптические материалы, в том числе люминофоры, преобразователи излучения, активные лазерные среды, модуляторы света для лазеров и систем оптической связи

Компоненты оптической микросхемотехники: микролазеры,компактные волноводы, разветвители излучения, оптические переключатели и модуляторы. Метаматериалы с новыми оптическими свойствами

Новые люминофоры, флуоресцентные метки, компоненты наносенсоров

Новые люминофоры, методы высокочувствительного молекулярного анализа, биосенсоры, компоненты биочипов

10 НАУКА И ИННОВАЦИИ №11(117) Ноябрь 2012

НАНОЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Рис. 2. Наноплазмоника: увеличение интенсивности флуоресценции меченых биомолекул, осажденных на нанотекстурированную поверхность серебра через диэлектрическую прослойку толщиной 3-6 нм

ли было на заре лазерной физики предположить, что самым распространенным применением лазеров будут устройства для просмотра кинофильмов или прослушивания музыки? Планировали ли развитие GPS-навигации для водителей, туристов и просто пешеходов во времена Сергея Королева и Юрия Гагарина? Строя компьютеры размером с баскетбольный зал,

вырабатываемых организмом человека при появлении злокачественной опухоли. Они выявляются с помощью антител, меченных флуоресцентными метками. Повышение эффективности возбуждения люминесценции меток с использованием наноструктур методами нанофотоники обещает примерно 10-кратное повышение чувствительности обнаружения онкомар-керов (рис. 2).

Краткий обзор направлений исследований по нанофотонике в Беларуси свидетельствует о значительном вкладе наших ученых в эту область науки и техники, что подтверждается высоким уровнем цитирования работ в мировой литературе и участием в международных проектах. По данным организации Tomson Scientific (база данных Web of Science), по совокупному цитированию в области нанокристаллов республика занимает 20-е, а в области фотоники в целом - 16-е место в мире, в области фотонных кристаллов - 6-е. По средней цитируемости статей со словом «фотоника» наша страна на втором месте в мире после Канады! Отечественные исследователи вошли в Европейскую сеть по нанофотонике, созданную в 6-й Рамочной программе ЕС, выполнили несколько проектов МНТЦ, около 10 проектов ИНТАС.

Прогнозирование социальных последствий научных открытий - задача очень сложная, требующая не только полета мысли и широкой фантазии, но и учета разнообразных социокультурных и финансово-экономических аспектов. Можно

ожидали ли культовых молодежных гаджетов типа наладонных ipad-ов? Эти примеры показывают, что результирующее воздействие новых научных направлений, как правило, не соответствует тем прогнозам, которые использовались для обоснования необходимости крупных финансовых вложений в их развитие.

Многие эксперты считают, что в будущем нанофотоника по масштабам долговременного технологического и социального воздействия может быть сравнима с воздействием полупроводниковой электроники на технологический прогресс и повышение качества жизни. В связи с этим целесообразно обсудить возможности практической реализации накопленных в Беларуси знаний и их внедрения. По-видимому, по восприимчивости и готовности результатов к применению на первое место следует поставить лазерно-оптическую промышленность. Далее следует электронная и оптоэлек-тронная техника, для которой могут быть предложены новые компоненты дисплейных устройств, спектральные преобразователи фотодетекторов и солнечных элементов. Биомедицинские приложения, по-видимому, будут внедряться в практику наиболее медленными темпами, главным образом в Беларуси и странах СНГ Причины этого кроются как в особом статусе медицины, так и в закрытости рынков зарубежных стран для наших разработок в этой области.

Сделанный прогноз основан на анализе существующих направлений в технологиях. В то же время история показывает,

что самые мощные воздействия на человеческую практику обычно не связаны с прогнозами, которые закладываются при формировании новых разделов науки и техники.

Можно предположить, что основное применение нанофотоники в будущем будет связано не с улучшением существующих элементов, приборов и систем, а с созданием новых функциональных объектов, названий которым на сегодняшний день в нашем лексиконе просто нет. Учитывая, что нанофотоника оперирует с объектами, соизмеримыми по размерам с отдельными молекулами, можно прогнозировать наиболее интригующие, нетривиальные ее приложения в области систем, объединяющих органические объекты с полупроводниковыми, фотофизику с электроникой, а возможно, живое с неживым. Здесь можно ожидать революционных перемен, связанных с созданием умных материалов, функциональных микросистем, в которых присущие техническим предметам функции будут сочетаться с параллелизмом биосистем, приводящим к их устойчивости. Такими новыми объектами могут стать, например, самовосстанавливающиеся функциональные материалы или солнечные элементы, биосенсоры и целые сенсорные системы для здоровья человека, эффективные экологически чистые преобразователи световой энергии в другие виды энергии, системы оптического хранения информации и т.д.

Литература

1. S.V. Gaponenko. Optical Properties of Semiconductor Nano-crystals. - Cambridge University Press, Cambridge, 1998, 2005.

2. S.V. Gaponenko. Introduction to Nnaophotonics. - Cambridge University Press, Cambridge, 2010.

3. Могилевцев Д.С., Килин С.Я. Методы квантовой оптики структурированных резервуаров. - Мн., 2007.

4. А.Н. Понявина. Взаимодействие оптического излучения с частично упорядоченными дисперсными средами. Автореф. дисс. ... д-ра физ.-мат. наук. - Мн., 2006.

5. А.В. Лавриненко. Распространение поляризованных волн в слоистых структурах и волноводах на основе фотонных кристаллов. Автореф. дисс. . д-ра физ.-мат. наук. - Мн., 2003.

6. А.В. Хомченко. Волноводная спектроскопия тонких пленок. - Мн., 2005.

7. С.В. Гапоненко, С.В. Жуковский, В.Н. Хильманович. Оптические аналогии квантовых явлений. - Мн., 2009.