Это нелокальная фотоника — для будущих технологий оптоэлектроники

Ученые Казанского федерального университета совместно с коллегами из Университета Пердью (США) обнаружили аномальное увеличение показателя преломления у нового класса материалов, представляющих двойные системы «кристалл—жидкость». Полученные в работе фундаментальные знания сформируют основу для нового научного направления в современной физике — нелокальной фотоники.

Сотрудники НИЛ «Квантовая фотоника и метаматериалы», созданной в Институте физики КФУ в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» под руководством заведующего кафедрой оптики и нанофотоники Сергея Харинцева, установили, что двойные системы «кристалл—жидкость», синтезируемые с помощью самосборки наночастиц или термооптического отжига аморфных пленок, могут преодолеть фундаментальные ограничения показателя преломления среды.

Результаты исследования представлены в статье, опубликованной в журнале Optical Materials Express. Редакция разместила иллюстрацию основного результата работы авторов на обложке журнала.

В работе продемонстрирована фундаментальная роль импульса оптического сжатого фотона в процессе рассеяния света на двойных системах «кристалл—жидкость», в которых ближний беспорядок трансформируется в дальний порядок. При освещении таких систем обычным лазерным светом генерируются пространственно сжатые фотоны, которые обладают гигантским импульсом, сравнимым с импульсом электрона. Это приводит к усиленному взаимодействию фотона и электрона в твердых телах. Главным результатом такого взаимодействия является высокий показатель преломления двойных систем «кристалл—жидкость», который может достигать значений, выходящих за фундаментальные ограничения. Высокий показатель преломления открывает уникальные возможности в оптоэлектронике и квантовых вычислениях благодаря увеличенной фотонной плотности состояний, быстрым фазовым осцилляциям волнового фронта, оптическому конфайнменту, делокализации оптического ближнего поля и не только.

Кроме того, увеличенный импульс фотона оптического ближнего поля обеспечивает непрямые оптические переходы в металлах и полупроводниках, подчеркнула соавтор статьи, сотрудник НИЛ «Квантовая фотоника и метаматериалы» Института физики КФУ Элина Батталова.

«Непрямые оптические переходы в твердых телах экспериментально были подтверждены с помощью электронного комбинационного рассеяния света, интенсивность и сдвиг которого зависят от размера пространственных структур и их упаковки,— рассказывает Элина Батталова.— В наших экспериментах мы использовали этот новый спектроскопический метод для структурного анализа аморфокристаллического кремния и германия, галоидных перовскитов, сульфида молибдена и воды. В будущем мы планируем применить данный метод для количественного анализа локального показателя преломления двойных систем “кристалл—жидкость”».

Развитие новой материальной платформы, основанной на двойных системах «кристалл—жидкость», критически важно для разработки передовых технологий в таких прикладных областях, как водородная энергетика, сенсорика, безрезонаторные нанолазеры, субдифракционная широкопольная оптическая визуализация, беспроцессорные нейроморфные вычисления.

Исследования выполнены за счет субсидии, выделенной Казанскому федеральному университету для выполнения государственного задания в сфере научной деятельности (проект FZSM-2022-0021).

Сергей Харинцев, заведующий кафедрой оптики и нанофотоники КФУ, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:

— Что такое фотоника и чем она отличается от электроники? Что такое нелокальная фотоника?

— Фотоника — это самостоятельная область науки, которая изучает взаимодействие фотонов (квантов света) с веществом. Фотоника начала активно развиваться с момента изобретения лазера в 1960 году. Это открытие оказало существенное влияние не только на становление оптической спектроскопии и микроскопии, но и на развитие огромного количества прикладных междисциплинарных направлений (материаловедение, медицина, компьютеры, телекоммуникации (интернет) и т. д.).

Начиная со второй половины ХХ века наибольший вклад в развитие вышеуказанных технологий внесла электроника, представляющая собой раздел физики, в котором изучается взаимодействие электронов с электромагнитными полями. Все дело в том, что малая длина волны электронов (меньше 1 нм) позволяет миниатюризировать технологические процессы, благодаря чему технические устройства стали более компактными. В настоящее время скорость обработки информации с помощью электронов достигла фундаментального предела — порядка 100 ГГц. Это главная причина для перехода от электрона к фотону, который гораздо быстрее. Однако прямое использование фотонов в интегральных оптических микросхемах затруднено из-за большой длины волны света (порядка 1000 нм). Решение данной проблемы было найдено благодаря генерации особых квазичастиц — плазмон-поляритонов, экситон-поляритонов и др., которые представляют собой локализованные электромагнитные возбуждения. Чтобы такие возбуждения стали возможными, импульсы электрона и фотона должны совпадать (должно соблюдаться условие пространственного синхронизма). В общем случае данное условие не выполняется, из-за чего фотоны слабо взаимодействуют с веществом. Поэтому одной из актуальных задач фундаментальной физики является поиск оптимальных решений для увеличения эффективности взаимодействия фотонов с носителями зарядов. Перспективным решением данной проблемы является использование фотона оптического ближнего поля, обладающего увеличенным импульсом благодаря пространственному ограничению. Так возникла нелокальная фотоника — новое направление в современной физике, которое изучает взаимодействие фотонов со средами, обладающими пространственной дисперсией.

— Расскажите подробнее о системе «кристалл—жидкость».

— Одним из эффективных способов генерации пространственно сжатых фотонов (или фотонов ближнего поля) является использование двойных систем «кристалл—жидкость». К ним относятся и хорошо известные жидкие кристаллы, однако класс двойных систем намного шире. К данным системам также можно отнести галоидные перовскиты, молекулярные кристаллы и различные коллоидные системы, состоящие из кластеров наночастиц. Двойные системы «кристалл—жидкость» характеризуются дальним порядком и ближним беспорядком. Свободно распространяющийся фотон хорошо взаимодействует с пространственной структурой большого размера. Индуцированное в ней электрическое поле создает поляризацию в структуре меньшего размера и т. д., в результате чего оптическое поле сжимается до атомного уровня («принцип матрешки»). Таким образом, двойные системы «кристалл—жидкость» являются перспективными материалами для увеличения эффективности взаимодействия света с веществом. Важно, что в таких системах наблюдается локальный беспорядок, который представляет собой пространственно распределенную оптическую неоднородность, способную делокализовать оптическое ближнее поле. Это, в свою очередь, приводит к увеличенному показателю преломления и гигантскому импульсу ближнеполевого фотона, который намного лучше взаимодействует с электронной системой.

— Зачем нужен высокий показатель преломления, который дают системы «кристалл—жидкость»?

— Высокий показатель преломления в системах «кристалл—жидкость» приводит к непрямым оптическим переходам в металлах и полупроводниках, которые экспериментально наблюдаются с помощью электронного неупругого широкополосного рассеяния света. В этом явлении, которое напоминает эффект колебательного рамановского рассеяния света, начальное и конечное электронные состояния различны и импульс электрона может меняться при переходе с одного уровня на другой. Благодаря этому свойству спектр электронного рамановского рассеяния света является очень широким, простирающимся от нескольких сотен миллиэлектронвольт до электронвольт (или в волновых числах от 0 до 10 000 см-1). Электронное рамановское рассеяние света в системах «кристалл—жидкость» привело к развитию нового метода структурной оптической спектроскопии. Важным применением этого нового спектроскопического метода является измерение локального показателя преломления света на наношкале. Кроме того, благодаря увеличенному импульсу фотонов становится возможным аномальный оптический нагрев твердых тел за пределами резонансного поглощения света.

— Какие возможности это открывает для ученых в оптоэлектронике и квантовых вычислениях?

— Создание материалов с высоким показателем преломления приводит к увеличенной фотонной плотности состояний, быстрым фазовым осцилляциям волнового фронта, оптическому конфайнменту, делокализации оптического ближнего поля и др. Пространственное сжатие оптического фотона делает его импульс сравнимым с импульсом электрона. Это кардинально меняет природу взаимодействия света и вещества и открывает беспрецедентные возможности в области оптоэлектроники, фотовольтаики и квантовых вычислений. Увеличенный показатель преломления в двойных системах «кристалл—жидкость» приводит к стремительному развитию технологий мыслящего сознания (с возможностью видеть будущее, в отличие от искусственного интеллекта, способного моделировать только прошлое и настоящее) и беспроцессорных нейроморфных вычислений (активные нелокальные среды с обратной связью).

— Можно ли в будущем использовать эти знания и возможности в производстве, медицине или других важных для развития человечества отраслях? Есть ли уже в мире какие-то удачные проекты с применением этих открытий?

— Пространственная локализация фотона уже привела к прорыву в области оптической микроскопии, позволяющей визуализировать структуру молекул с помощью видимого света (пространственное разрешение 0,16 нм!). Развитие новой материальной платформы, основанной на двойных системах «кристалл—жидкость», является критически важным для разработки передовых технологий в прикладных областях фотоники. К ним относятся лазеры на дефектах, оптически прозрачные металлы, аморфокристаллические пленки для фотовольтаики, субдифракционная широкопольная оптическая микроскопия. Развитие нелокальной фотоники приведет к прогрессу в области медицины и биологии благодаря созданию атомно-чувствительных сенсоров, а также оптической 3D-визуализации структуры и диагностике живых систем при комнатной температуре (белки, клетки). В перспективе ожидается развитие технологий ультрабыстрого фотокатализа для водородной энергетики. Сегодня нелокальная фотоника только формируется, и коммерциализация знаний на ее основе является событием ближайшего будущего.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки