книги / Физические основы нанотехнологий фотоники и оптоинформатики

левой волновод толщиной 3 нм и шириной 55 нм. Длина волны поверхностного плазмона, распространяющегося в таком устройстве, составила всего 51 нм, т.е. примерно 8 % от длины волны в свободном пространстве.

Таким образом, возбуждая материалы видимым светом с длиной волны 0,5 мкм, можно получать сигналы в мягком рентгеновском диапазоне со значениями длин волн между 10 и 100 нм. Длину волны можно уменьшить более чем в 10 раз относительно ее величины в вакууме, и при этом частота сигнала остается неизменной. Произведение длины волны на ее частоту v остается равным скорости света в среде: v с0 / n, поскольку электромагнитные волны, распространя-

ющиеся вдоль границы металл–диэлектрик, замедляются. Cпособность сокращать длину волны открывает дорогу к созданию наноскопических плазмонных структур, которые могли бы заменить чисто электронные схемы из проводников и транзисторов.

Для печати микросхем на кремниевых подложках сейчас используется литография. Аналогичная технология подойдет и для серийного выпуска крошечных плазмонных устройств с множеством узких диэлектрических полос и промежутков между ними. Полосковые системы будут направлять волны положительных и отрицательных зарядов вдоль металлической поверхности. Частота оптического сигнала гораздо выше несущей частоты электрического, плазмонное межсоединение в состоянии передавать намного больше данных. В плазмонных цепях электрический заряд не перемещается (электроны периодически собираются в сгустки и разбегаются, а не текут в одном направлении). Плазмонные цепи не имеют паразитных сопротивлений и емкостей, ограничивающих пропускную способность электрических межсоединений.

Плазмонные схемы станут еще быстрее, когда исследователи изобретут плазмонстор – плазмонное устройство, аналогичное транзистору. Лаборатория в Калифорнийском технологическом институте и другие группы недавно разработали маломощный вариант такого прибора. Когда плазмонсторы будут усовершенствованы, из них можно будет собирать сверхбыстрые сигнальные процессоры, появление которых за 10–20 лет решительно изменит всю вычислительную технику.

Применение наносфер в медицине

Спектр применения плазмонных устройств выходит далеко за рамки вычислительной техники. Наоми Халас и Питер Нордлендер из

122

Университета Райса разработали наносферы, которые состоят из тонкого слоя золота толщиной 10 нм, нанесенного на поверхность кварцевых частичек диаметром 100 нм. Облучение их электромагнитными волнами вызывает колебания электронов в золотой оболочке. Поскольку поля на ее внутренней и внешней поверхностях взаимодействуют, длина волны, при которой происходит резонансное поглощение энергии, зависит от размера сферы и толщины золотого слоя. Таким образом, можно проектировать наносферы, выборочно поглощающие волны с длинами от нескольких сотен нанометров (синий край видимого спектра) до 10 мкм (ближняя инфракрасная область).

Избирательность наносфер превращает их в эффективное средство лечения рака. В 2004 г. Халас и ее коллега Дженнифер Уэст ввели в кровоток мышей со злокачественными опухолями плазмонные частицы и обнаружили, что они не токсичны. Более того, наносферы сконцентрировались не в здоровых тканях тела грызунов, а в быстрорастущих злокачественных опухолях, к которым интенсивнее поступает кровь (рис. 7.19).

Рис. 7.19. Инфракрасный лазер, разогревающий наносферы, доставленные лекарственным путем в опухоль [7]

Ткани живых организмов прозрачны для инфракрасного излучения в определенном диапазоне длин волн. Когда исследователи направляли свет инфракрасного лазера через кожу мышей на опухоли, резонансное поглощение энергии во внедренных наносферах поднима-

123

ло температуру злокачественных образований с 37 до 45 °С. Светотепловое нагревание убивало раковые клетки, оставляя окружающую здоровую ткань нетронутой.

Увеличение яркости светодиодов

В 2004 г. Аксель Шерер из Калифорнийского технологического института вместе с сотрудниками японской корпорации Nichia продемонстрировал, что покрытие поверхности светодиода из нитрида галлия плотной сеткой плазмонных наночастиц (состоящих из серебра, золота или алюминия) приводит к увеличению интенсивности испускаемого света светодиодами в 14 раз.

Плазмонные наночастицы можно использовать для создания кремниевых светодиодов. Они были бы намного дешевле, чем обычные светодиоды из нитрида или арсенида галлия, но сейчас их не производят из-за низкой интенсивности излучения света. Группа из Калифорнийского технологического института в сотрудничестве с командой Альберта Полмана из Института атомной и молекулярной физики Голландского фонда фундаментальных исследований материи показала, что объединение серебряных или золотых плазмонных наноструктур с матрицами кремниевых квантовых точек существенно повышает интенсивность испускаемого ими света. Кроме того, частота, на которой происходит усиленное излучение, зависит от размера наночастиц. Согласно результатам наших вычислений, тщательной настройкой частоты плазмонного резонанса и точным подбором расстояния между частицами металла и полупроводником можно добиться увеличения интенсивности излучения более чем в 100 раз. В результате кремниевые светодиоды будут светиться так же ярко, как и традиционные.

Плазмонный графеновый чип

Физики из Массачусетского технологического института создали электронную схему, которая позволяет управлять плазмонными волнами с помощью комбинации графена и ферроэлектрических (сегнетоэлектрических) материалов (рис. 7.20).

Если типичный центральный процессор работает на частотах от сотен мегагерц до нескольких гигагерц, то плазмонные волны в опытах ученых показали принципиальную возможность достижения отметки в несколько терагерц, несколько тысяч гигагерц. Они смогли управлять плазмонами за счет комбинации двух материалов – графена и ферро-

124

электриков. Разместив графеновый лист между двумя пластинками ниобата лития, физики направили плазмонные волны в требуемом направлении после того, как сформировали из заряженных участков сегнетоэлектрика границы волновода.

Рис. 7.20. Схема нового устройства: графеновый лист между двумя слоями сегнетоэлектрика. Изображение: Qing Hu / MIT

Опыты показали, что между такими волноводами расстояние может быть не больше 20 нм и при этом плазмонные колебания не будут искажать друг друга. Одним из возможных приложений ученые называют компактные оптоэлектронные устройства и быстрые системы записи и считывания информации из ферроэлектрических запоминающих устройств: теоретически скорость работы может превысить текущие показатели в тысячи раз.

Жидкое зеркало из наночастиц с электрическим управлением

Британские физики создали необычные наночастицы, которые могут одновременно быть и прозрачными для света, и превращаться в идеальное зеркало.

Наночастицы и тонкие полоски из некоторых металлов, например золота или серебра, способны поглощать видимый свет и передавать его дальше в виде других форм электромагнитного излучения. На поверхности металла возникают плазмоны – коллективные колебания электронов и электрических полей. Взаимодействие плазмонов зависит от двух их характеристик – размеров и расстояния между индивидуальными наночастицами. Физики достаточно давно научились управ-

125

лять положением отдельных наночастиц, однако «дирижирование» множеством плазмонов оставалось нерешенной задачей.

Эдель с сотрудниками поместили наночастицы не на поверхность другого металла или кремния, как это обычно делают ученые в опытах

сплазмонами, а в водный раствор и создали особую химическую среду, позволявшую управлять положением всех частиц в растворе при помощи импульсов электричества.

Ученые заметили, что обычные наночастицы золота, покрытые полимерной пленкой, могут или отталкиваться друг от друга, или сближаться друг с другом, не склеиваясь, если их зарядить и поместить в особый электролит, состоящий из двух несмешиваемых жидкостей

сразными электрическими свойствами.

Всостоянии покоя эта жидкость заставляет частицы золота удаляться друг от друга на достаточно большие расстояния, в результате чего она становится прозрачной для волн видимого света. Если же че-

рез нее пропустить электрический ток, то тогда положение ионов в электролите поменяется и часть заряженных частиц увлечет за собой частицы золота и выстроит их в своеобразный плоский лист.

Частицы металла в нем будут находиться достаточно близко для того, чтобы они могли поглощать фотоны видимого света и повторно излучать их в обратном направлении, что будет делать поверхность раствора зеркальной. При этом они не склеятся друг с другом, что позволит сделать зеркало прозрачным, отключив ток или поменяв местами полюса у его источника.

Подобные структуры, как отмечают физики, позволяют не только создавать «электрические» зеркала, но и множество других оптических приборов с полностью управляемой оптикой.

7.3. МЕТАМАТЕРИАЛЫ

Метаматериал (англ. metamaterial) – искусственный композитный структурированный материал, электромагнитные свойства которого существенно отличаются от свойств компонентов, входящих в его состав, и определяются особым упорядочением и структурой компонентов (кольцеподобной, рулонной, проводной и т.д.).

Метаматериалы выделены в отдельный класс материалов, так как их свойства зависят от структуры компонентов, упорядоченных осо-

126

бым образом, и могут кардинально отличаться от свойств составляющих их компонентов. К метаматериалам такого типа относятся, например, синтетические дихроичные материалы, состоящие из изотропных компонентов: именно асимметричная структура композитного материала приводит к появлению анизотропии формы.

Существуют метаматериалы с многократно увеличенными электрической проницаемостью и магнитной восприимчивостью; метаматериалы, эффективность нелинейных эффектов в которых увеличивается на много порядков по сравнению с обычными веществами. Например, эффективность гигантского комбинационного рассеяния может возрастать в 106 раз по сравнению с вынужденным комбинационным рассеянием в компонентах, на порядки увеличивается эффективность генерации второй и третьей гармоник.

Хотя возможность управления структурой компонентов материала дает новую степень свободы в конструировании их свойств, однако настоящую революцию произвели работы, продемонстрировавшие возможность создания метаматериалов со свойствами, которые не встречаются в природных материалах. Термин «метаматериалы» особенно часто применяют по отношению именно к таким материалам.

Метаматериалы синтезируются внедрением в исходный природный материал различных периодических структур с самыми различными геометрическими формами, которые модифицируют диэлектрическую ε и магнитную μ восприимчивости исходного материала. В очень грубом приближении такие внедрения можно рассматривать как искусственно внесенные в исходный материал атомы чрезвычайно больших размеров. Разработчик метаматериалов при их синтезировании имеет возможность выбора (варьирования) различных свободных параметров (размеры структур, форма, постоянныйипеременный периодымеждунимии т.д.).

Один из наиболее известных классов метаматериалов – метаматериалы с отрицательным коэффициентом преломления, у которых одновременно отрицательны диэлектрическая и магнитная проницаемости. Существование веществ с одновременно отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостями было теоретически обосновано в работе В.Г. Веселаго, вышедшей еще в 1967 г. [9]. Как показал автор, такие вещества характеризуются отрицательными значениями показателя преломления, а многие оптические свойства существенно отличаются от свойств традиционных материалов.

127

Веселаго предсказал, что определенные оптические явления будут совершенно другими в материалах с отрицательным коэффициентом преломления. Возможно, самым поразительным из них является рефракция – отклонение электромагнитной волны при прохождении границы раздела двух сред. В нормальных условиях волна появляется на противоположной стороне линии, проходящей перпендикулярно этой границе (нормаль к поверхности). Однако, если один материал имеет положительный коэффициент преломления, а другой – отрицательный, волна будет появляться на той же стороне нормали к поверхности, что и приходящая волна. Также особым свойством метаматериалов является сильная дисперсия.

Природных материалов с такими свойствами пока не обнаружено. Экспериментально вещества с отрицательным показателем преломления в радиодиапазоне электромагнитных волн были созданы в 1999 г. [10]. В настоящее время широким фронтом ведутся работы по созданию и исследованию метаматериалов с отрицательным показателем преломления в оптическом диапазоне. Все созданные искусственно материалы с одновременно отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостями в оптическом диапазоне являются композитами, содержащими металлические и диэлектрические компоненты.

Весьма перспективным классом метаматериалов являются фотонные кристаллы, в частности резонансные фотонные кристаллы [11].

Рис. 7.21. Прохождение света через метаматериал с левосторонним коэффициентом преломления

128

Одно из возможных свойств метаматериалов – отрицательный (или левосторонний) коэффициент преломления, который проявляется при одновременной отрицательности диэлектрической и магнитной проницаемостей. Пример такого метаматериала показан на рис. 7.21.

Основы эффекта

Дисперсионное уравнение распространения электромагнитных волн в изотропной среде имеет вид

где k – волновой вектор; – частота волны; c – скорость света; n2 – квадрат показателя преломления, n2 . Из этих уравнений очевидно,

что одновременная смена знаков у диэлектрической и магнитной восприимчивости среды никак не отразится на этих соотношениях.

7.3.1. «Правые» и «левые» изотропные среды5

Уравнение (7.1) получено на основе теории Максвелла. Для сред, у которых диэлектрическая и магнитная восприимчивости среды одновременно положительные, три вектора электромагнитного поля –

электрический E, магнитный H и волновой k – образуют систему

так называемых правых векторов. Монохроматическая плоская волна

H r H0 exp ik r .

При подстановке в уравнения Максвелла в среде, обладающей поглощением и дисперсией с комплексными диэлектрической ( ) и маг-

нитной ( ) проницаемостями, зависящими от частоты :

E i H ,

H i E,

получаем

5 По материалам работы [8].

129

k .

Импеданс

E0 .

H0 k

Смена знаков в уравнениях (7.3) по сравнению с уравнениями (7.2) эквивалентна замене электрического поля на магнитное. Век-

торы E0 , H0 , k в левых средах образут левую тройку векторов, а вектор

1

Пойнтинга S 2 E0 H0 образует всегда правую тройку. Ввиду этого

в левой среде Веселаго вектор Пойнтинга антипараллелен волновому вектору S k , а в обычной правой среде они параллельны S k

(рис. 7.22).

В англоязычной литературе описанные материалы называют right- и left-handed materials, или сокращенно RHM (правые) и LHM (левые) соответственно.

130