Ученые из Сколтеха, МПГУ и других научных организаций обнаружили новый класс дефектов в алмазе, которые могут быть полезны для технологий квантовой обработки информации и измерения температуры на расстоянии со сверхвысоким пространственным разрешением, в том числе внутри живых клеток.
Исследование опубликовано в виде письма в журнале Physical Review B. Центрами окраски называют дефекты с определенными свойствами в прозрачном кристалле, в частности в алмазе. Физически центры окраски представляют собой различные конфигурации инородного атома, например азота или другого элемента таблицы Менделеева, в кристаллической решетке алмаза и одной или нескольких вакансий — отсутствующих атомов углерода.
Название «центры окраски» связано с оптическими свойствами этих дефектов. Алмаз сам по себе прозрачен для видимого света, в то время как центры окраски обладают привлекательной с точки зрения технологических применений способностью поглощать и эффективно переизлучать свет (флуоресцировать) в узком частотном диапазоне, то есть четко определенного цвета. Кроме того, важным свойством является возможность эффективного излучения одиночных фотонов. Существует ряд технологий, для которых возможность генерировать одиночные фотоны в узком спектральном диапазоне весьма полезна.
На манипуляциях с одиночными фотонами завязаны приложения в квантовой оптике и квантовой информатике. В частности, такое излучение может применяться в квантовой криптографии — в теории это наиболее безопасный вариант передачи информации. Отправитель и получатель обмениваются зашифрованными посланиями и ключами для их декодирования. При этом ключи должны передаваться по защищенному каналу, и некоторые протоколы их передачи требуют эффективного источника одиночных неразличимых фотонов. То есть характеристики излучаемых фотонов — поляризация, «цвет» и так далее — должны совпадать с высокой точностью.
Другая ценная особенность центров окраски: в зависимости от того, какова температура среды, в которой они оказались, излучение меняется строго определенным образом. Грубо говоря, по цвету их излучения можно точно оценить температуру в точке, где находится алмаз с соответствующим дефектом. Таким образом, получая наноалмазы с центрами окраски, ученые создают крошечные термометры удаленного действия с высоким температурным и пространственным разрешением: они измеряют температуру точно и на очень малом пространственном масштабе. В частности, уже существуют исследования, в которых с помощью таких кристаллов с дефектами регистрировали изменения температуры и изучали особенности теплопроводности внутри биологических клеток.
«Центры окраски в алмазе известны ученым и активно исследуются уже около 30 лет. Новый класс дефектов, который мы обнаружили, обладает наиболее привлекательными оптическими свойствами по сравнению с другими широко известными дефектами в алмазах: дело в том, что бо́льшая часть излучения обнаруженных центров окраски приходится на крайне узкий спектральный диапазон, примерно в 10 раз уже, чем у известных ранее. Этот факт в сочетании с довольно высокой стабильностью и интенсивностью излучения говорит о том, что с их использованием можно проводить локальные измерения температуры с повышенной точностью», — прокомментировал результаты исследования его первый автор, аспирант Сколтеха Артур Нелюбов.
Ученый добавил, что у открытых коллективом центров окраски есть еще одно любопытное свойство — узкополосное возбуждение. Они не только излучают свет в узком диапазоне, но и поглощают его тоже выборочно. То есть даже центры окраски одного класса немного отличаются друг от друга, и при желании к ним можно обращаться адресно. Например, в биологии есть метод экспериментального исследования образцов — мультицветная визуализация — для которого алмазы с такими дефектами будут весьма полезны в качестве специфических, нетоксичных, нерадиоактивных биомаркеров.
Пока научному коллективу не удалось точно идентифицировать природу данных центров. При этом ученые охарактеризовали их и показали наличие у них ряда характерных особенностей.
«В кристаллы на этапе синтеза не было преднамеренно внедрено никаких примесей, и тем не менее описанные в нашей статье центры окраски были обнаружены в образцах из трех разных партий чистых микроалмазов, — рассказал Нелюбов. — Алмазы произведены методом высоких температур и давлений с использованием адамантана в качестве прекурсора. Для подтверждения наличия таких же дефектов в алмазах естественного происхождения и в изготовленных иными методами нужны дополнительные исследования».
Также в планы дальнейших исследований научного коллектива входит изучение оптических свойств открытых центров окраски при очень низких температурах. Как раз таким образом можно получить больше информации о структуре энергетических уровней, и, следовательно, строить теории о происхождении данных дефектов.
По словам ученых, открытие стало возможным благодаря разработке нового экспериментального метода. Авторам работы удалось совместить два типа микроскопии: сканирующую электронную микроскопию и люминесцентную спектро-микроскопию.
«Такой подход позволил нам маркировать представляющие наибольший интерес микроалмазы с центрами окраски и проводить серии экспериментов на разных установках с одними и теми же микрокристаллами. Концентрации обнаруженных дефектов в алмазах были крайне малы, и обнаружить их получилось только благодаря сверхвысокой чувствительности используемых установок. Таким образом, в роли объектов рассмотрения преимущественно выступали одиночные примесные центры. Благодаря этому мы смогли собрать статистику, провести подробный анализ свойств и охарактеризовать новый класс излучателей в алмазе», — пояснил Нелюбов.
Помимо ученых из Сколковского института науки и технологий и Московского педагогического государственного университета, в исследовании принимали участие сотрудники трех институтов Российской академии наук: Института спектроскопии, Института физики высоких давлений и Физического института имени П. Н. Лебедева.
Источник: https://naked-science.ru/

Физики преодолели электронный шум и обеспечили генерацию квантовым источником света фотонов с заданной частотой с помощью дефектов в алмазе. Физики из Университета имени Гумбольдта в Берлине впервые генерировали и регистрировали фотоны со стабильными частотами, испускаемые азото-замещенными вакансиями в алмазных наноструктурах. Технология подойдет для развития квантового интернета.
Ученые интегрировали отдельные кубиты (квантовые биты) в оптимизированные алмазные наноструктуры. Они в тысячу раз тоньше человеческого волоса и позволяют направленно передавать излучаемые фотоны по оптоволокну.
NV-центр или азото-замещенная вакансия — это один из дефектов алмаза, который возникает при удалении из кристаллической решетки атома углерода и связывании образовавшейся вакансии с азотом. В предыдущих исследованиях ученые показали, что такие вакансии можно использовать в качестве источника одиночных фотонов.
Но при изготовлении наноструктур поверхность материала повреждается на атомарном уровне, а свободные электроны создают неконтролируемый шум для генерируемых световых частиц. Он вызывает флуктуации частоты фотонов, препятствуя успешным квантовым операциям, таким как запутывание.
Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи использовали алмазный материал с относительно высокой плотностью атомов азота в кристаллической решетке. Исследование показало, что в таком материале можно генерировать фотоны со стабильными частотами. Хотя физика этого процесса до конца непонятна и требует дополнительного изучения, ученые полагают, что большое количество азото-замещенных вакансий защищает квантовый источник света от электронного шума на поверхности наноструктуры.
Чтобы обеспечить передачу данных с приемлемыми скоростями связи на большие расстояния в квантовой сети, все фотоны должны собираться в оптических волокнах и передаваться без потерь. При этом все они должны иметь одинаковый цвет (одну и ту же частоту). Исследование подтверждает возможность передавать данные без шумов. Более того, с помощью этой технологии текущие скорости связи между распределенными квантовыми системами в перспективе могут быть увеличены более чем в 1 000 раз.
Источник: https://hightech.fm/

Физики научились лучше управлять свойствами экситонов — квазичастиц, способных излучать и поглощать свет определенных длин волн. Контролируя спектр и интенсивность излучения экситонов, можно создавать нанолазеры или компоненты для оптических компьютеров, которые будут быстрее и производительнее, чем обычные.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Light: Science & Applications.
В полупроводниках — материалах, способных при определенных условиях проводить ток, — электроны (отрицательно заряженные частицы) могут переходить в возбужденное состояние и «отрываться» от ядер атомов, вокруг которых они изначально были расположены. Такой переход может происходить, например, при освещении, высоких температуре и давлении. На месте электронов при этом образуются так называемые «дырки», которые несут положительный заряд. Поскольку «плюс» и «минус» притягиваются, электрон не может далеко «убежать» от своей дырки и, находясь очень близко — на расстоянии в миллион раз меньше сантиметра, — определенным образом с ней взаимодействует. Такую пару в физике принято называть экситоном.
Экситоны способны поглощать и излучать свет в определенных диапазонах, а эти свойства можно использовать, например, в солнечных элементах, преобразующих свет в электричество, или в нанолазерах. Последние, в свою очередь, перспективны как компоненты оптических компьютеров, которые для работы используют вместо обычной электроники излучающие наноустройства. Однако, чтобы соответствующие приборы работали точно, нужно уметь управлять длиной волны и интенсивностью излучения экситонов.
Ученые из Университета ИТМО (Санкт-Петербург) с коллегами из Южной Кореи и США исследовали поведение экситонов в двумерных полупроводниках, то есть таких материалах, толщина которых составляет всего несколько атомов. Использованные авторами полупроводники состояли из двух слоев: верхний содержал вольфрам и селен, а нижний, помимо этих элементов, еще включал молибден. В таких двумерных материалах экситоны существуют при комнатной температуре и атмосферном давлении, благодаря чему на их основе можно создавать устройства, не требующие особых труднодостижимых условий работы. С другой стороны, двухслойный полупроводник удобнее, чем однослойный, потому что экситоны в нем «живут» в миллионы раз дольше — вплоть до нескольких микросекунд, которых достаточно для того, чтобы передавать сигналы в оптоэлектронных устройствах.
Интересно, что в двухслойных материалах экситоны есть как в каждом из слоев, так и между ними. Межслойные частицы возникают, когда возбужденный электрон из одного слоя «перепрыгивает» в другой, а дырка от него остается в изначальном месте. Свойства таких экситонов — длина волны и интенсивность излучения — очень чувствительны к тому, как слои взаимно расположены, в частности, к расстоянию между ними.
Чтобы определить, как расстояние между слоями образца влияет на свойства экситонов, исследователи точечно — на площади порядка нескольких нанометров (в сотни тысяч раз меньшей миллиметра) — сжали образец с помощью специального золотого зонда. Такой зонд не только создавал давление, в десять тысяч раз превышающее атмосферное, но еще и отдавал собственные электроны, с которыми взаимодействовали экситоны. В результате спектр излучения материала сдвинулся в коротковолновую область. Это объясняется тем, что слои полупроводника взаимодействовали сильнее, чем без давления, а межслойные экситоны образовали комплексы с электронами, поступившими от золотого зонда, и в результате поменяли свои оптические свойства.
Этот эксперимент показал, что управлять свойствами экситонов можно, подбирая расстояние между слоями полупроводника и подавая на материал дополнительные электроны. Благодаря этому устройства, излучающие или поглощающие свет за счет экситонов, можно будет очень точно настраивать на определенную длину волны.
«Умея управлять свойствами экситонов, можно создавать оптоэлектронные компоненты, излучающие или поглощающие свет в очень маленькой области пространства — порядка нанометра, — что недостижимо с помощью обычной оптики. Такие технологии нужны, например, при создании процессоров для компактных оптических компьютеров, которые смогут работать на порядки быстрее обычных. В дальнейшем мы планируем исследовать поведение экситонов в динамике, то есть в определенных временных промежутках, что позволит лучше понять свойства этих квазичастиц в двумерных полупроводниковых структурах», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Василий Кравцов, кандидат наук (PhD), ведущий научный сотрудник физического факультета Университета ИТМО.
Источник: https://scientificrussia.ru/

Транзисторы, усиливающие электрические сигналы, не совершенны: они теряют тепловую энергию и ограничивают скорость передачи сигнала, что понижает их производительность. Разработка российско-корейской команды — «наноэкситонный транзистор» на основе гетероструктурных полупроводников с экситонами внутри и между слоями — преодолевает ограничения современных транзисторов. С ним обработка огромных объемов данных со скоростью света при минимуме теплопотерь станет реальностью.
Стремительно развивающаяся технология искусственного интеллекта требует все больших объемов данных для обучения моделей. Результаты исследования специалистов из Пхоханского университета науки и технологии под руководством профессора Василия Кравцова из Университета ИТМО открывают возможность появления оптического компьютера, который поможет в обработке огромного количества информации.
Экситоны — квазичастицы, отвечающие за эмиссию света в полупроводниках. Они считаются ключевым компонентом в разработке светоизлучающих элементов нового поколения, которые благодаря возможности свободного обмена между светом и веществом в электрически нейтральном состоянии будут вырабатывать меньше тепла и станут источниками света для квантовых информационных технологий. Существует два типа экситонов в полупроводниковой двухслойной гетероструктуре, состоящей из двух различных монослоев полупроводников: внутрислойные экситоны с горизонтальной ориентацией и межслойные экситоны с вертикальной ориентацией.
Оптические сигналы, которые излучают два типа экситона, обладают различными физическими свойствами. Это значит, что выборочный контроль двух оптических сигналов позволяет разработать двухбитный экситонный транзистор. Однако до сих пор было трудно контролировать внутри- и межслойные экситоны в наноразмерном пространстве из-за негомогенности полупроводниковых гетероструктур и низкой световой эффективности в межслойных экситонах вдобавок к дифракционному пределу света.
В предыдущем исследовании команда ученых предложила технологию контроля экситонов в наноразмерном пространстве, пишет EurekAlert. Новая работа описывает возможность дистанционного контроля над плотностью и светимостью экситонов без физического контакта с экситонами. Наиболее существенное преимущество этого метода, сочетающего фотонный нанорезонатор с пространственным модулятором света, в минимизации физического ущерба материалу полупроводника. Вдобавок, наноэкситонный транзистор может использоваться для обработки огромных объемов данных со скоростью света, при минимизации теплопотери.
Источник: https://www.nanonewsnet.ru/

 

Исследователи использовали фотонные чипы и метаповерхность для управления несколькими лазерными лучами одновременно.
Инженеры из Национального института стандартов и технологий США разработали устройства в масштабе чипа для одновременного управления цветом, фокусом, направлением движения и поляризацией нескольких лучей лазерного света. Технология подойдет для создания портативных датчиков и квантовых устройств.
Традиционные оптические системы, которые позволяют управлять даже одним лазерным лучом, представляют масштабную конструкцию размером с обеденный стол. На нем размещается множество линз, поляризаторов, зеркал и других устройств. Для создания портативных датчиков и квантовых компьютеров потребуются миниатюрные чипы.
Исследователи объединили две технологии на уровне микросхем: интегральные фотонные схемы, которые используют крошечные прозрачные каналы и другие микрокомпоненты для направления света; и источник нетрадиционной оптики, известный как оптическая метаповерхность. Такие поверхности состоят из стеклянных пластин с миллионами крошечных структур высотой всего в несколько сотен миллиардных долей метра, которые манипулируют свойствами света без необходимости в громоздкой оптике.
В серии экспериментов исследователи продемонстрировали, что один фотонный чип выполнял работу 36 оптических компонентов, одновременно контролируя направление, фокус и поляризацию (плоскость, в которой световая волна колеблется при движении) 12 лазерных лучей, разделенных на четыре различных цвета. Также они показали, что крошечный чип может направлять два луча разных цветов, чтобы те шли параллельно. Это необходимо для создания атомных часов.
Исследователи отмечают, что они продолжают работать над полноценной оптической системой на базе чипа. Пока лазерный свет еще недостаточно мощен, чтобы охладить атомы до сверхнизких температур, необходимых для миниатюрных усовершенствованных атомных часов.
Источник: https://hightech.fm/

Физики из Австрии и США изготовили кремниевую металинзу для экстремального ультрафиолета и сфокусировали с ее помощью свет с длиной волны 50 нанометров. Они обошли проблему слабого оптического контраста, найдя условия, при которых показатель преломления кремния существенно меньше единицы и поглощение не слишком велико. Размер пятна в эксперименте был немного меньше микрометра, но в перспективе его можно будет сделать менее ста нанометров, что повысит точность фотолитографии в экстремальном ультрафиолете.
Исследование опубликовано в Science.
Экстремальным (сверхжестким) ультрафиолетом называют диапазон электромагнитного излучения, лежащий между 10 и 121 нанометрами по шкале длин волн (или между 10 и 124 электронвольтами по шкале энергии фотона). Такое излучение очень нужно физикам, чтобы изучать фотоионизацию атомов, молекул и экситонов — в этом же диапазоне лежат переходы в ридберговские состояния у некоторых атомов, а также происходит возбуждение остова в молекулах.
Все это обуславливает сложность создания оптических элементов в области экстремального ультрафиолета — известные материалы рано или поздно перестают быть для него прозрачными по мере уменьшения длины волны, а их показатель преломления стремится к единице. Чтобы как-то с этим бороться, физики пытаются использовать метаматериалы. С помощью металинз ученым удается фокусировать свет с длиной волны около 250 нанометров.
Применение нелинейных метаматериалов сдвинуло эту границу ниже 200 нанометров, но манипулировать экстремальным ультрафиолетом таким способом пока не удается. Причина этого в том, что работа металинз основана на манипуляциях фазой света на наномасштабе. При этом важную роль играет разница между оптической плотностью элементов и среды, в которой они находятся — воздуха или вакуума. Для экстремального ультрафиолета эта разница стремится к нулю.
Группа физиков из Австрии и США под руководством Маркуса Оссиандера (Marcus Ossiander) из Гарвардского университета решила эту проблему радикальным способом.
Источник: https://nplus1.ru/

 

Холдинг «Швабе» Госкорпорации Ростех и Российская академия наук работают над созданием квантово-каскадных лазеров. Благодаря возможности качественно и количественно выявлять химические соединения излучатели нового поколения могут применяться в перспективных диагностических комплексах, досмотровой аппаратуре, экомониторинге, космических исследованиях и других сферах.
Квантово-каскадные лазеры, работающие в среднем, длинноволновом и терагерцовом диапазонах, в частности, могут заметно повысить эффективность досмотровых комплексов, процедур спектроскопии и газоанализа, визуализации и удаленного зондирования и даже контроля качества продуктов питания.
«Такие перспективные технологии помогают врачам вести поиск маркеров различных социально значимых заболеваний. Или могут быть задействованы в астрономических экспериментах, например в исследованиях по содержанию атомарного кислорода в межзвездном пространстве. Сферы применения квантово-каскадных лазеров очень обширны. Кооперация с РАН в области создания уникальных излучателей поможет продвинуться в разработках оборудования также для газовой и нефтяной промышленности, экологии, астрономии, биологии, других отраслей промышленности и науки», – сказал индустриальный директор Госкорпорации Ростех Олег Евтушенко.
В исследованиях участвует НИИ «Полюс» имени М.Ф. Стельмаха холдинга «Швабе» – ведущий центр России в области квантовой электроники. Ученые института активно работают в области создания квантово-каскадных лазеров различных спектральных диапазонов.
Источник: https://www.arms-expo.ru

Физики из Германии, США и Финляндии изготовили метаповерхность, которая играет роль двумерного фотонного временного кристалла в микроволновом диапазоне. Она состоит из восьми емкостных элементов, выстроенных в ряд и ограниченных металлическими стенками. Модулируя емкость элементов, авторы убедились, что метаповерхность способна экспоненциально усиливать как поверхностные, так и свободные моды.
Исследование опубликовано в Science Advances.
Однородность среды в пространстве обеспечивает выполнение закона сохранения импульса, а во времени — энергии. Физики уже давно убедились, что нарушение трансляционной инвариантности в кристаллах приводит к локальному не сохранению импульса у электронов. Впоследствии эту идею распространили на фотоны в фотонных кристаллах — средах с пространственной модуляцией показателя преломления или иных электромагнитных свойств. Такие среды обладают диапазоном частот (фотонной запрещенной зоной), в котором распространение света экспоненциально подавлено в одном или нескольких направлениях.
Сравнительно недавно физики взялись за повторение этих идей во временной области. Так возникла концепция фотонных временных кристаллов — однородных сред, чьи электромагнитные свойства меняются со временем под действием какой-либо периодической накачки. Предполагается, что в таких средах будет все ровно наоборот: частота фотонов будет определена с точностью до постоянной обратной решетки, а запрещенная зона будет возникать в области волновых векторов.
Но у фотонных временных кристаллов есть важная особенность. В отличие от традиционных фотонных кристаллов моды внутри запрещенной зоны таких сред могут быть не только экспоненциально затухающими, но и экспоненциально усиливающимися. Мы уже рассказывали про теоретические исследования этого вопроса, которые показывают, что это излучение будет обладать когерентными свойствами на половине частоты модуляции. Более того, фотонные временные кристаллы могут расширять условия для излучения, диктуемые классической электродинамикой: а в анизотропном случае это могут делать даже покоящиеся заряды. Несмотря на множество интересных свойств, такие среды пока никто не изготовил, поэтому описанные выше свойства фотонных временных кристаллов еще не проверялись на практике.
Первыми, кто преодолел этот рубеж, стали Сюй Чэнь Ван (Xuchen Wang) из Университета Аалто и его коллеги из Германии, США и Финляндии.
Источник: https://nplus1.ru/

Физики представили метод создания трехмерных проекций с высокой детализацией. Исследование опубликовано в журнале Optica. Международная группа исследователей из Китая и Сингапура разработала метод создания динамических трехмерных голографических проекций сверхвысокой плотности. Изображения, созданные с помощью этой технологии, содержат больше деталей и могут использоваться в виртуальной реальности.
Создание динамической голографической проекции обычно предполагает использование пространственного модулятора света (SLM) для управления интенсивностью светового луча. Но качество современных голограмм ограничено, поскольку существующая технология SLM позволяет проецировать лишь несколько изображений на отдельные плоскости с низким разрешением по глубине. Чтобы преодолеть эту проблему, ученые объединили SLM с диффузором. Эта установка подавляет перекрестные помехи между плоскостями и использует рассеяние света и формирование волнового фронта.
Чтобы протестировать новый метод, исследователи использовали моделирование, чтобы показать, что устройство может создавать трехмерные реконструкции с гораздо меньшим интервалом глубины между плоскостями. Например, они смогли спроецировать трехмерную модель ракеты со 125 последовательными плоскостями изображения с интервалом глубины 0,96 мм в одной голограмме 1000×1000 пикселей.
Для экспериментальной проверки концепции ученые построили прототип 3D-SDH-проектора для создания динамических голограмм и сравнили его с обычной современной установкой для компьютерной 3D-голографии Френеля. Анализ показал, что новая технология обеспечивает улучшение осевого разрешения более чем на три порядка по сравнению с аналогом.
Источник: https://hightech.fm/

Ученые ИТМО продемонстрировали новый подход к генерации лазерного излучения с помощью перовскитных метаповерхностей. Разработанное решение позволит создавать дешевые, компактные лазеры толщиной менее 100 нм, которые требуют значительно меньше энергии, чем их аналоги. Такие лазеры можно использовать в компактных фотонных чипах для управления светом, в качестве источника интенсивного света в медицине (например, для диагностики живых тканей или крови), обработки материалов, астрономии и других сферах. Результаты исследования в журнале Advanced Functional Materials.
Поиск низкопороговых и дешевых лазеров — одна из важнейших задач современной фотоники. Большинство современных лазеров состоят из накачки, активной среды и резонатора. Чтобы добиться генерации лазерного излучения, активной среде лазера при помощи накачки сообщают энергию, которая нужна для достижения инверсии населенностей. Так называют состояние, при котором возбужденных электронов и дырок (положительно заряженных частиц) больше, чем невозбужденных. Когда электроны и дырки возбуждены — иными словами оторваны от атома (например, это происходит, когда им сообщают энергию), то они могут свободно перемещаться по объему полупроводника. А когда электрон «возвращается» на свое место, то энергия высвобождается в виде фотона — частицы света. В резонаторе этот процесс происходит массово, что и вызывает генерацию лазерного излучения. Однако для этого нужно возбудить много электронов и дырок, что требует большого количества энергии.
Чтобы снизить потребность в энергии, которая нужна для работы лазера, ученые стараются уйти от необходимости инверсии населенности. Один из перспективных способов достичь этого — использовать гибридные квазичастицы экситон-поляритоны. Такие частицы объединяют в себе свойства света и вещества, что позволяет получать сверхбыстрые нелинейные оптические эффекты. Кроме того, эффективная масса поляритонов на несколько порядков меньше, чем, например, масса электрона, поэтому такой способ позволяет достичь экситон-поляритонной конденсации Бозе-Эйнштейна.
Это состояние проявляется в виде низкогопорогового лазерного излучения. Для исследователей оно интересно тем, что не требует инверсии населенности и снижает необходимую энергию для работы лазера. Также при таком конденсированном состоянии можно наблюдать разные феномены с точки зрения фундаментальной физики — например, возбужденное состояния Боголюбова. Оно было предсказано только теоретически, но экспериментально для поляритонов пока не наблюдалось.
Недавно ученым удалось похожее состояние в поляритонной решетке на основе квантовой ямы GaAs — однако проблема в том, что этот материал имеет низкую энергию связи экситона. Это ограничивает работу всей системы до температуры –267°C, при которых экситон (а значит, и экситон-поляритон) может существовать, а следовательно, и генерироваться лазерное излучение.
Что придумали в ИТМО
Ученые ИТМО создали новый подход к генерации поляритонного лазерного излучения, который позволит использовать поляритонные системы в реальных коммерческих устройствах. Для этого исследователи создали перовскитную метаповерхность, у которой в нелинейном режиме под действием оптической накачки появляются так называемые исключительные точки. Это явление создает выгодные условия для поляритонной конденсации, которая необходима для работы лазера.
Преимущество такого подхода в том, что вся система состоит из дешевых перовскитов и не требует дорогостоящих методов синтеза. Обычно поляритонную конденсацию наблюдают в вертикальных брэгговских резонаторах на основе многослойных систем, требующих высокой точности при изготовлении. Но благодаря перовскитам, которые ученые использовали в своей работе, для достижения этого эффекта хватило одной тонкой решетки. Такая решетка компактная и дешевая, а метод ее создания — наноимпринтную литографию — легко масштабировать в будущем. Кроме того, конденсированные поляритоны в такой решетке обладают сильными нелинейными оптическими свойствами, что позволяет управлять лазерным излучением и его спектром при помощи света.
Как проходил эксперимент
Ученые синтезировали перовскитную тонкую пленку, затем методом наноимпринтной литографии с использованием Blu-ray диска в качестве штампа создали метаповерхность в виде решетчатой структуры из перовскита. Толщина готовой поверхности составила 75 нм — это минимальное значение, которого удавалось достичь при создании поляритонных лазеров.
Ученые исследовали полученный образец с помощью спектроскопии с угловым разрешением: смотрели, как свет под действием внешнего импульсного излучения выходит из образца, на какой длине волны и под каким углом. Образец с исключительными точками сравнивали с похожим образцом другой толщины (на 10 нм меньше основного образца). Такое изменение толщины оказалось критичным для появления исключительных точек в нелинейном режиме, которое вызывает поляритонную конденсацию.
Результаты и перспективы
Авторы обнаружили, что полученное поляритонное излучение имеет очень высокую направленность с расхождением меньше одного градуса — раньше такого значения не удавалось достичь для поляритонных планарных лазеров. Такая характеристика позволяет эффективно передавать энергию и информацию с помощью лазеров, а также использовать их для задач спектроскопии, воздействия на живые ткани для их диагностики, лазерных дисплеев и для других применений.
«Благодаря галогенидным перовскитам и специальному дизайну метаповерхности мы реализовали экситон-поляритонную систему, которая может поддерживать безинверсионное поляритонное лазерное излучение. Такое излучение можно получить при комнатной температуре, а еще оно не требует использования резонатора — это удешевляет производство нанолазеров и снижает потребляемую ими энергию. Результаты нашей работы не только проливают свет на новый подход к реализации лазерного излучения, но и открывают путь к созданию дешевых перовскитных нано- и микролазеров с электрической накачкой», — рассказал один из авторов исследования, младший научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Михаил Машарин.
В будущем ученые планируют реализовать подобный дизайн в монокристаллических пленках, что позволит снизить порог для лазерной генерации, а впоследствии произвести электрическую накачку лазера.
Исследование проведено при поддержке мегагранта «Нанолазеры и микролазеры на основе новых наноматериалов и современных оптических архитектур» и программы Минобрнауки РФ «Приоритет-2030»
Статья: Mikhail Masharin, Anton Samusev, Andrey Bogdanov, Ivan Iorsh, Hilmi Demir, Sergey Makarov (Advanced Functional Materials, 2023)
Источник: https://news.itmo.ru/

Передовые разработки в области фотоники ведут молодые ученые Дальневосточного федерального университета во главе с кандидатом технических наук, профессором Департамента промышленной безопасности Политехнического института Денисом Косьяновым. В результате трехлетних исследований, в том числе поддержанных грантом Российского научного фонда, коллектив создал уникальный двухфазный керамический люминофор – компонент, который позволит создать чрезвычайно мощные осветительные устройства на основе свето- и лазерных диодов. Изобретение представителей ДВФУ станет бесценным подспорьем для исследователей морских глубин, спасателей, специалистов в области высокотехнологичной медицины и даже для покорителей космоса.
В основе разработки команды научно-образовательного центра «Передовые керамические материалы», директором которой является Денис Косьянов, лежит усовершенствование базового принципа работы белых светодиодов. Данное устройство состоит из двух основных компонентов: синего светоизлучающего диода и так называемого фотолюминофора. Последний представляет собой небольшое покрытие, прилегающее к диоду, свечение которого возникает при частичном преобразовании синего света. Излучение диода и люминофора, смешиваясь, дают белый свет того или иного оттенка.
«Большинство люминофор-конвертеров в коммерческих белых светодиодах изготавливают путем нанесения слоя люминофора на основе порошка алюмоиттриевого граната, допированного церием, на фиксирующую кремний-органическую смолу. Технические характеристики светодиодов такого типа удовлетворяют большую часть нужд потребителей в повседневной жизни, однако у них есть также и ярко выраженные недостатки. Слой люминофора неоднороден, его теплопроводность низкая, что неминуемо приводит к так называемому «выгоранию» в процессе эксплуатации. Для решения широкого спектра вопросов и задач современной фотоники требуется создание не только энергоэффективных, но и высокомощных сверхъярких белых светодиодов. Поэтому и возникла необходимость в создании новой формы люминофора, который обладал бы как высокими показателями светоотдачи и однородности цвета, так и теплопроводности и термической стойкости», – рассказал кандидат технических наук Денис Косьянов.
Поиск решения данных проблем привел к разработке новых форм исполнения люминофоров, таких как порошок в стекле, оптическая керамика, стеклокерамика и моно- и эвтектические кристаллы. По набору термических и физико-механических свойств самым перспективным вариантом формы оказались оптические керамики – при одинаковом фазовом составе теплопроводность по сравнению с порошковым вариантом выросла почти в 100 раз.
В рамках гранта Российского научного фонда специалистам ДВФУ предстояло не только воссоздать керамический люминофор, но и выявить оптимальный способ его производства, научиться управлять параметрами микроструктуры данного опто-функционального материала. Актуальной оставалась и задача поиска путей дополнительного повышения его термофизических свойств. Итоги работы в том числе отражены в статье, опубликованной в одном из наиболее авторитетных журналов по керамическому материаловедению «Journal of Advanced Ceramics».
«Поиски привели нас к созданию керамического бифазного композита на основе функциональной и термически-стабильной фаз. В роли второго компонента была выбрана фаза оксида алюминия. Хорошее соответствие между компонентами обеспечило совершенство механических контактов при отсутствии возможных межфазных разделений и тепловых барьеров. В результате, был достигнут рост теплопроводности материала еще на 50%. Кроме того, изменение частицами оксида алюминия распространения света в композитной люминофоре положительно отразилось на светоотдаче и однородности цвета», – подчеркнул профессор Косьянов.
Дальневосточные ученые добились существенных успехов и в производственном процессе. Запатентован новый подход в рамках керамических технологий создания подобных композитов – так называемое реакционное искровое плазменное спекание, которое позволяет получать материалы при значительно более низкой температуре и продолжительности процесса, чем классическое вакуумное спекание. Продолжительность цикла спекания сократилась в 15 раз. Быстрый, и в то же время относительно простой и экономически эффективный «одностадийный» подход позволил сформировать композиты с необходимой микроструктурой и плотностью.
Создание люминофора нового поколения открывает перед российскими промышленниками и учеными новые возможности по созданию беспрецедентно-мощных осветительных устройств на основе светодиодных и лазерных систем. Для данной концепции способность люминофора-конвертера выдерживать чрезвычайную мощность возбуждения и, следовательно, высокую тепловую нагрузку от источника возбуждения выступает критически важным условием, и здесь двухфазная керамика придется как раз к месту. Ведь если в случае использования светодиодов эффективная плотность входной мощности ограничена значением в 3 ватт на квадратный сантиметр, то для лазеров с кристаллами синего диапазона она составляет уже около 25 киловатт на квадратный сантиметр – разница превышает 8 тысяч раз.
В отличии от светодиодных, в лазерных системах освещения свет распространяется плотным пучком и, обеспечивая очень высокую светимость, будет эффективен для работы на большие расстояния. Такая сверхмощная аппаратура может использоваться при исследованиях морских глубин, новых подходах в проецировании изображений и эндоскопии, и даже при передаче данных. Пригодятся такие разработки и при оптимизации систем освещения мега-сооружений, аэропортов, взлетно-посадочных полос, железнодорожных путей, летательных аппаратов, а также в космической отрасли.
«Лазерные диоды интересны благодаря их монохроматическому, высококогерентному и направленному излучению света. В сочетании с люминофором они обеспечивают очень высокий световой поток. Малый размер лазерного пятна может привести к получению квазиточечного источника белого света. Новые технологии, такие как фары с лазерным усилением, лазерные телевизоры или передача данных по видимому свету наглядно демонстрирую преимущества лазерного освещения в сравнении со светодиодным», – отметила младший научный сотрудник научно-образовательного центра «Передовые керамические материалы» Анастасия Ворновских.
Сейчас ученые ДВФУ заняты производством серий опытных образцов и макетов осветительных устройств на их основе. В дальнейшем планируется переход на этап опытно-конструкторских и технологических работ с привлечением индустриальных партнеров.
На протяжении большей части пути помощь дальневосточным ученым оказывали коллеги из Шанхайского института керамики, одного из ведущих мировых научно-исследовательских учреждений. Специалисты из КНР сделали весомый вклад в сравнительный анализ разрабатываемых люминофоров с известными мировыми аналогами.
«Проект, которым занимается наша группа вот уже как 3 года − один из передовых на мировом уровне. Можно констатировать, что мы двигаемся в авангарде развития данного направления. Команд ученых, которые занимаются этим вопросом в открытом доступе, во всем мире известно не более пяти, при этом в России данную тематику больше никто не ведет. Согласно дорожной карте развития фотоники в Российской Федерации, разработка технологий создания подобных материалов является критическим направлением, обеспечивающим приоритетное развитие и безопасность большинства отраслей промышленности. Неоспорима и экономическая эффективность освоения современной фотоники», – заключил профессор Косьянов.
Отметим, исследования в области новых технологий и материалов определены в ДВФУ как одни из приоритетных. Они ориентированы на решения принципиально новых научно-технологических задач, которые находятся на переднем крае современной науки.
«Изыскания прикладного характера – наш вклад в работу по достижению технологического суверенитета России. Чтобы отвечать вызовам мировой научно-технологической повестки, нужно думать наперед, смотреть на два-три шага в будущее, уже сегодня закладывать фундамент для достижения новых инновационных вех. Специалисты нашего Политехнического института этим требованиям отвечают в полной мере – их исследования в области материаловедения являются важным аспектом в реализации стратегической цели по развитию университета как лидера в научно-образовательной и технологической деятельности на российском Дальнем Востоке, центра трансфера технологий и инноваций в Азиатско-Тихоокеанском регионе», – подчеркнул ректор ДВФУ Борис Коробец.
Источник: https://www.dvfu.ru/

© 2024 Лазерная ассоциация

Поиск