Лазерный мир

Ученые Университета ИТМО показали, что наночастица из кремния и золота может служить эффективным источником белого света при накачке импульсным лазером в ближнем инфракрасном диапазоне. Такая белая «нанолампочка» была интегрирована в стандартный зондовый микроскоп, что позволило преодолеть дифракционный предел в оптических измерениях и рассмотреть объекты меньше длины волны. Более того, оказалось возможным изучать оптический отклик нанообъектов сразу во всем видимом спектральном диапазоне, а не только на отдельных длинах волн света. Новая технология не только может удешевить и упростить современную ближнепольную микроскопию, но имеет потенциал применения для биоимиджинга, то есть найдет применение и в медицинских приложениях.

Как это работает

Чтобы получить нанолампочку, ученые кафедры нанофотоники и метаматериалов напечатали наночастицу из кремния и золота. Чтобы частица начала излучать, то есть испускать фотоны, ее подсвечивают фемтосекундным инфракрасным лазером. Из-за сообщенной энергии электроны «перескакивают» на более высокие энергетические уровни, а затем начинают «скатываться» на дно зоны проводимости кремния, испуская фотоны на разных длинах волн.

«Кремний сам по себе – это плохой материал для получения излучения, так как он является непрямозонным полупроводником. То есть, если светить на него лазером, он поглотит, грубо говоря, миллион фотонов, а излучит всего один. Однако он очень дешевый и его можно получать буквально из песка. Поэтому сегодня человечество стремится найти как можно больше применений кремнию: в солнечной энергетике, фотоприемниках, микроэлектонике и других областях. Мы же смогли найти кремнию неожиданное применение и создали на его основе яркий наноразмерный источник белого света, используя его основной “недостаток” – непрямозонность, которая позволяет испускать фотоны с энергиями от 3.4 до 1.1 электрон-Вольт», – подчеркнул старший научный сотрудник кафедры Сергей Макаров.

На удивительные свойства нанолампочки влияют два фактора, добавил Иван Синев, аспирант кафедры. Во-первых, сама лазерная накачка происходит очень мощными и короткими импульсами, которые обеспечивают генерацию белого света в кремнии, но при этом не приводят к разрушению материала из-за нагрева. Во-вторых, золото, добавляемое к кремнию на этапе создания частиц, делает излучение на порядок более ярким. Так, золото увеличивает коэффициент поглощения света, а также влияет на эффективность фотогенерации электронов на верхние энергетические уровни и их излучательной рекомбинации.

По словам ученых, этот удивительный эффект был обнаружен неожиданно в ходе экспериментов по лазерной печати наночастиц золота с кремнием и тестирования их нелинейных оптических свойств. Подобные частицы сферической формы получают в результате определенного воздействия лазером на двухслойные пленки. Работы в области лазерной печати наночастиц проводятся на кафедре нанофотоники и метаматериалов с 2015 года.

«Сначала мы просто отрабатывали лазерную печать частиц, состоящих из золота и кремния. Мы рассчитывали сделать из каждой полученной наночастицы обычный эффективный преобразователь инфракрасного света в ультрафиолетовый или зеленый на основе известной методики генерации гармоник, то есть удвоения, утроения частоты излучения за счет нелинейных эффектов. Когда мы начали мерить излучение, то увидели, что, да, гармонику удалось сгенерировать эффективно, но как сделать это еще лучше? Мы решили усилить лазерное излучение, и оказалось, что на более высоких мощностях частица меняет свой “цвет” и превращается в нанолампочку – яркий источник белого света. Потребовался еще почти год, чтобы понять, как этим можно управлять и как это можно использовать. Кроме того, в процессе подготовки публикации нам очень помог Юрий Кившарь», – рассказал Сергей Макаров.

Принцип ближнепольной микроскопии на основе наноразмерного источника белого света. Наконечник зонда разработанного микроскопа в рабочем режиме, где размер светящийся частицы 150 нм.

Как будет использоваться нанолампочка

По предложению Антона Самусева, научного сотрудника Университета ИТМО, полученную нанолампочку перенесли на обычный зонд атомно-силового микроскопа с помощью методики, разработанной также на кафедре нанофотоники и метаматериалов Иваном Мухиным и Филиппом Комиссаренко. Зонд позволяет поднести яркий источник видимого света непосредственно к исследуемому объекту, что многократно усиливет взаимодействие ближних полей. Сигнал излучения такой наночастицы вблизи объекта регистрируется и раскладывается на спектр с помощью обычного спектрометра. Таким образом, нанолампочку можно интегрировать в стандартное оборудование для микроскопии, иными словами ее можно «насадить» на любой зонд, а получаемый с ее использованием сигнал регистрировать обычными фотодетекторами и одновременно получать информацию о ближнем поле нанообъектов во всем видимом спектральном диапазоне. Таким образом, наночастица кремния и золота делает системы микроскопии не только более универсальными, но и более дешевыми.

«Также у нас есть идея использовать нанолампочку в качестве нанолазера. Если положить такую наночастицу в резонатор, который может менять рабочую длину волны, то мы можем получить перестраиваемый лазер – такой, который будет светить на любой заданной длине волны видимого спектра. Кроме того, нанолампочка может найти свои применения и в биологии для “подсветки” клеток и детектирования веществ, чувствительных к длинам волн определенного спектрального диапазона», – добавил Иван Синев.

Сейчас на разработку нанолампочки оформляется патент, а ученые будут продолжать исследовать ее фундаментальные и прикладные свойства.

Источник: http://news.ifmo.ru/ru/science/photonics/news/7214/