Антенны для света
Сотрудники Международного научно-образовательного центра физики наноструктур закончили исследование, посвященное методам манипуляции наночастиц с помощью лазерного излучения. Статья опубликована в журнале «ACS Applied Nano Materials». Мы поговорили с Игорем Аркадьевичем Гладских, кандидатом физико-математических наук и автором статьи, о результатах, возможностях применения технологии и дальнейших планах.
— Чему посвящено исследование?
— Статья посвящена линейному дихроизму плазмонных наноструктур, в частности методам манипуляции наночастицами с помощью лазерного излучения и возможности создания структур, которые по-разному взаимодействуют с поляризованным светом. Если говорить объемнее, то мы сейчас разрабатываем методы модификации поверхности для получения нужных нам характеристик и оптических свойств. Это могут быть структуры с линейным или круговым дихроизмом. Статья посвящена линейному дихроизму, и она выделяется на фоне остальных тем, что в исследовании лазерное излучение воздействует сразу на ансамбль частиц.
— Что такое плазмонный резонанс?
— Металлические наночастицы интересны тем, что они работают как антенны, но для оптического диапазона. Они прекрасно поглощают свет из-за коллективных колебаний электронов, которые называются плазмонами. Возбуждение коллективных колебаний приводит к значительному усилению электромагнитного поля вблизи частицы, по сравнению с падающим излучением. То есть если посветить на металлическую частицу, то вокруг нее образуются локальные поля, с помощью которых можно усилить оптические свойства объекта, помещенного возле частиц: поглощение, люминесценцию, Рамановское рассеяние и т.д.
Это применяется для повышения КПД солнечных батарей: чтобы они лучше поглощали и концентрировали свет. Известно гигантское комбинационное рассеяние, когда мы помещаем вблизи наночастиц очень малое число аналита, фактически единичные молекулы, и можем детектировать спектр комбинационного рассеяния в ближнем поле металлической наночастицы.
Оптические свойства частиц зависят от множества параметров: материала (обычно используют благородные металлы: серебро, золото, медь), размера, формы (например, для сферы будет один резонанс, а для стержня два: вдоль и поперек), взаимодействия частиц (если начать сближать их, то они будут взаимодействовать со светом, как одна). Такие манипуляции позволяют настраивать положение плазмонного резонанса там, где это необходимо: буквально от ближнего ультрафиолета до инфракрасной области, то есть во всем видимом диапазоне.
В этой работе мы используем поляризованное лазерное излучение для частиц измененной формы. Положение пика плазмонного резонанса и как следствие максимума поглощения стержня и пары частиц очень сильно зависит не только от длины волны, но и от ориентации поляризации падающего излучения относительно положения этой частицы. Если она совпадает с направлением стержня, то свет поглощается, а если вектор электрического поля направлен поперек — практически нет.
Суть заключается в том, что при наличии ансамбля частиц различных размеров и форм мы можем воздействовать на определенные из них. Например, при помощи лазера мы нагреваем их или изменяем форму. В последнем случае также меняется положение плазмонного резонанса, и он сдвигается из зоны действия лазерного излучения. Это известный метод выжигания провалов. Мой научный руководитель кандидатской диссертации, Вартанян Тигран Арменакович, описал этот метод для одиночных плазмонных частиц. Нам же было интересно воздействие поляризованного лазерного излучения на группы частиц.
Флуоресцирующие наночастицы
— Какой результат вы получили?
— Мы обнаружили, что лазерным излучением действительно можно избирательно воздействовать на пары частиц и изменять их вкупе, как структуру, а также убирать их из резонансной области. В данном случае важна не только длина волны излучения, но и ориентация его поляризации. Лазерным излучением мы нагреваем некоторые пары частиц, убирая их из резонанса, но пары, расположенные в других направлениях, остаются не тронутыми. После такого селективного нагрева наши плазмонные пленки начинают поглощать поляризованный свет по-разному.
Сейчас для создания сложных структур используются литографические методы, которые позволяют создавать все, что вы захотите, грубо говоря. Однако эти методики достаточно дорогие, требуют продвинутого оборудования и обычно работают на небольших участках. В данном случае мы используем лазерный пучок и сканируем нужную поверхность, общее изменение происходит на макромасштабе, но линейный дихроизм зависит от тонких изменений пленки.
— Где может применяться результат?
— Исследования могут послужить не только как фундаментальная работа, но и прикладная, например в шифровании. Фактически мы можем нарисовать любые картинки в поляризованном свете на образце (штрихкод, qr-код), но увидеть человеческим глазом их не получится, потребуются специальное оборудование, своего рода защита от подделок. Некоторые авторы других работ считают, что подобные структуры можно применять для дисплейных систем, но мне в это слабо верится. Кроме тогона манипуляции светом основаны пассивные элементы фотоники.
— Вы довольны результатом?
— Да, вполне. Экспериментальные результаты были получены очень быстро, но их описание потребовало умственной работы. Я думаю, мы выдвинули правильную концепцию.
— Какие ваши дальнейшие планы?
— На данный момент в лаборатории готовятся другие публикации. Я думаю, эта работа будет опорной точкой для описания всех дальнейших результатов: будем рассматривать не линейный, а круговой дихроизм, то есть возможность получения других более сложных структур.
Сейчас мы подаем проект в Российский научный фонд. Он посвящен другой тематике. Манипуляции с частицами будут проводиться не только с помощью света, но и с помощью окружения этой частицы. Одно из направлений работы — локальная полимеризация вещества вблизи металлических наночастиц.
— Как выстроена работа в лаборатории?
— У нас сформированная рабочая группа. Какую-то часть работы, например эксперимент и обработка результатов, проводят студенты, которых мы обучаем. Результаты уже обсуждаются со старшими сотрудниками. В целом лаборатория занимается множеством различных исследований связанных с плазмонными наноструктурами.
— Почему вы выбрали данное направление работы?
— Обычно это происходит благодаря стечению обстоятельств, помимо желания и возможностей. Обстоятельства возникают или нет, а ты ими пользуешься или нет.
Мне всегда были интересны математика и физика. Поступил на физическую специальность «Лазерная техника и биомедицинская оптика». На втором курсе стало интересно, на кого я учусь, захотел «пощупать», что это такое. На той кафедре не получилось поработать руками, кроме как на лабораторных работах. Поступило предложение от преподавателей кафедры «Оптическая физики современного естествознания», ныне Международный научно-образовательный центр физики наноструктур на перевод. Я практически сразу согласился, так как тут можно было поработать, а дальше началась интересная образовательная и научная деятельность. Здесь вы получаете задачу, как студент, но при этом уже работаете по специальности, получаете не только знания, но и прикладные навыки. Мне это интересно, поэтому я прошел здесь аспирантуру, защитил кандидатскую диссертацию и продолжил работать.
Фотограф: Елизавета Козырина
Еще почитать по теме
