Ученые предлагают делать наноразмерные лазеры на основе кремниевых наночастиц

Схематичное изображение комбинационного рассеяния. Падающий фотон возбуждает колебательный уровень молекулы,  в результате чего она переизлучает квант света на другой длине волны. Изображение предоставлено авторами исследования.

Исследователи из МФТИ, Университета ИТМО и Австралийского национального университета экспериментально доказали, что наночастицы из кремния могут значительно увеличить интенсивность рассеянного на них света. Этот эффект позволит создавать наноразмерные лазеры и усилители для оптоволоконных линий связи.

Обычно при взаимодействии с веществом свет не меняет длины своей волны, но бывают исключения. Одно из них — это комбинационное, или рамановское, рассеяние, в котором фотоны падающего света поглощаются молекулой, а потом переизлучаются уже с меньшей энергией и, соответственно, большей длиной волны. Это явление лежит в основе метода рамановской спектроскопии, способного обнаруживать по специфическому оптическому сигналу даже отдельные молекулы вещества.

Схематичное изображение комбинационного рассеяния. Падающий фотон возбуждает колебательный уровень молекулы, в результате чего она переизлучает квант света на другой длине волны. Изображение предоставлено авторами исследования


Кроме того, рамановское рассеяние широко используют для усиления сигнала в волоконно-оптических сетях. Сегодня для этого применяют различные устройства с размерами большими, чем длина волны света, — волноводы или сферические микрорезонаторы. Но сейчас телекоммуникационной индустрии нужны все более миниатюрные устройства — они не только потребляют меньше энергии, но и легче умещаются на электронном или оптическом чипе. Как раз поэтому группа российских и австралийских ученых и работала над миниатюризацией усилителей комбинационного рассеяния.

В своей работе исследователи использовали кремниевые наносферы, в которых падающий свет возбуждает оптические резонансы — характерные колебания магнитного поля, приводящие в конечном счете к переизлучению видимого света. При этом частицы разных диаметров обладают различными резонансами и поэтому взаимодействуют со светом всегда немного иначе (например, частицы разных размеров будут светиться разными цветами — переизлучать свет с немного отличными длинами волн).

Ученые проверили, как интенсивность комбинационного рассеяния зависит от диаметра кремниевой частицы. В полном соответствии с разработанной ими теорией интенсивность комбинационного рассеяния оказалась максимальной при диаметре частицы, совпадающем с длиной волны оптического резонанса. Интенсивность рассеяния такой частицей более чем в 100 раз превосходит величину комбинационного рассеяния в не резонансных частицах других размеров.

Экспериментально измеренный (точки) и теоретически предсказанный (линии) спектр усиления комбинационного рассеяния для частиц различных диаметров. Изображение предоставлено авторами исследования


«Комбинационное рассеяние света — невероятно полезный на практике эффект, который позволяет не только обнаруживать микроскопические количества химических соединений, но и передавать информацию на большие расстояния. В связи со стремлением сделать все оптические устройства меньше, становится актуальным поиск наноструктур, которые могут усиливать этот эффект. Наши наблюдения указывают на одного возможного кандидата — кремниевые наночастицы», — комментирует результаты исследований аспирант МФТИ, один из авторов работы Денис Баранов.

В перспективе такие кремниевые наночастицы могут стать платформой для создания компактного нанолазера, что сулит очень интересные приложения в области медицины и биомикроскопии. В частности, с их помощью можно будет отслеживать перемещение отдельных молекул лекарственных препаратов в организме. Результаты исследования опубликованы в журнале Nanoscale .

Напомним, что рамановскую спектроскопию комбинационного рассеяния используют не только физики и технологи. Так, в одном недавнем исследовании биологи из МГУ отслеживали с помощью нее работу живых митохондрий, а криминалисты хотят использовать рамановскую спектроскопию для анализа окраски волос.
Теги:

Читать еще на Чердаке: