Учёные Крымского федерального университета им. В. И. Вернадского проводят исследование, направленное на изучение плазмон-поляритонов в металл-диэлектрических наноразмерных элементах и структурах. Подробнее о проекте рассказывает старший научный сотрудник Научно-исследовательского центра функциональных материалов и нанотехнологий Татьяна Михайлова.
Проект реализуется при поддержке Российского научного фонда.
В чём суть Вашего проекта?
— Проект нацелен на создание и исследование различных объектов, размер которых находится в нанометровом диапазоне – в тысячу раз меньше, чем диаметр человеческого волоса. Данные нанообъекты имеют возможность быть изолированными частицами, массивами частиц, многослойными системами, частицами в оболочке… однако обязательным элементом в этой системе является металл. Выбираются такие известные металлы, как золото, серебро, медь, так как они проявляют плазмонные свойства. Плазмонные свойства – это появление колебаний электронов проводимости внутри этих металлических частиц под влиянием электромагнитного излучения. А электромагнитное излучение – это обычные световые волны, с которыми мы каждый день встречаемся (к примеру, экран телевизора, оптоволоконные линии связи). Именно под влиянием световых волн внутри металлов появляются колебания электронов проводимости. И мы занимаемся исследованием того, как ведут себя данные колебания в таких системах.
Если продлить логическую цепочку, то колебания электронов проводимости и электронная волна имеют возможность быть связаны и практически представлять собой волновой процесс. Комбинируя различные объекты (наноэлементы), мы можем построить что-то похожее на электронную цепь, где есть источники возбуждения, источники возникновения волн и пути, по которым они распространяются. Данные волны называются плазмон-поляритонами. А чем хороши схемы на плазмон-поляритонах? Тем, что они будут работать гораздо быстрее, чем существующие электронные схемы.
Дополнительно мы исследуем спектры коэффициента пропускания и магнитооптического вращения объектов, то есть то, как магнетизм преобразует оптические свойства.
Какие именно работы Вы проводите?
— В первый раз мы выиграли грант Российского научного фонда на реализацию этого проекта в 2019 году. У нас есть партнёр – центр коллективного пользования «Физика и технология микро- и наноструктур» в Нижнем Новгороде. Наша задача заключается в создании моделей, исследовании свойств структур, а наш партнёр помогает нам создать такие структуры. Мы успешно завершили этот проект, и в 2022 году подали заявку на продление, поэтому выиграли грант ещё на три года (2023–2025 гг.).
Данное исследование является комплексным. Допустим, мы создали какую-то модель из этих нанообъектов, потом мы согласовываем разработанное техническое задание с партнёром, и уже в Нижнем Новгороде с использованием литографических приставок создаётся структура, которая направляется нам, и мы здесь исследуем её свойства. Такая процедура проводится ежегодно. Мы уже создали модели вентилей, полевых транзисторов, основанные на «канавках» в плазмонном металлическом слое. По итогам исследований нашим коллективом опубликованы научные статьи и даже монография.
Насколько уникально данное исследование?
— Мы являемся единственным коллективом, который изготавливает магнито-плазмонные структуры, позволяющие комбинировать свойства металлов и плёнок феррит-гранатов, которые давно выращивают в Крымском федеральном университете. Данные плёнки знамениты тем, что являются магнитными, а их оптические свойства изменяются под влиянием магнитных полей. Комбинируя металлы и наши диэлектрические магнитные плёнки, мы можем добиваться новых результатов, новых эффектов, к примеру, усиления магнитооптических эффектов. Это также считается одним из важных результатов, который мы получили в течение этих 4–5 лет.
Мы хотим разрабатывать магнито-плазмонные структуры на основе метаповерхностей, фотонных кристаллов с различной структурой металлического слоя, среди прочего, с апериодическими решётками, логические плазмонные элементы. Учитывая то, что мы занимаемся этим уже много лет, наша работа пока находится на начальном этапе. Это связано с тем, что изготовление структур является достаточно сложным, и проходит в несколько стадий. Также, мы работаем со структурами различного назначения.
Где имеют возможность применяться данные структуры?
— Магнито-плазмонные структуры необходимы для сенсорики, к примеру, для измерения изменений показателя преломления среды (жидкости или газа). Они необходимы в качестве модуляторов для оптоволоконных линий связи, в плазмонной схемотехнике. Данные наноэлементы – это практически компоненты устройств новой оптоэлектроники и интегральной фотоники, которые имеют возможность быть использованы в телекоммуникациях и сенсорике.
На самом деле это – схемотехника будущего, так как происходит замена электронных компонентов компонентами, работающими на плазмон-поляритонах. И эта замена удачна тем, что она обеспечивает более быстрое действие системы – скорость передачи и обработки данных увеличивается на 3-4 порядка.
Возможно, они востребованы прямо сейчас. К примеру, для квантовых компьютеров нужны элементы, которые сочетают в себе оптические и электронные свойства. В данном случае плазмон-поляритоны сами по себе являются уникальными, так как они имеют возможность обеспечить переход от электронной базы к оптической и наоборот.
При подготовке статьи были использованы материалы: Пресс-службы КФУ
