Ученые из МФТИ, петербургского Университета ИТМО и их коллеги из Австралийского национального университета экспериментально доказали, что наночастицы из кремния могут значительно увеличить интенсивность так называемого комбинационного рассеяния света — этот эффект позволит создать наноразмерные лазеры и наноразмерные усилители для оптоволоконных линий связи. Результаты исследования опубликованы в журнале Nanoscale.

Обычно при взаимодействии с веществом свет не меняет цвет, то есть длину волны. Но есть исключения, одно из них — так называемое комбинационное или рамановское рассеяние. В этом случае падающий свет взаимодействует с молекулой так, что ее энергия повышается на значение, соответствующее колебательному движению молекулы. Затем молекула переизлучает фотон, который обладает меньшей энергией и, следовательно, большей длиной волны, свет в результате становится «краснее». Этот процесс может происходить и в целых кристаллах.

Рисунок 1. Схематичное изображение комбинационн...

Рисунок 1. Схематичное изображение комбинационного рассеяния. Падающий фотон возбуждает колебательный уровень молекулы (отмечен красным), в результате чего молекула переизлучает квант света на другой длине волны. Изображение предоставлено авторами исследования.

Открытие комбинационного рассеяния света положило начало целой области прикладной науки — рамановской спектроскопии или спектроскопии комбинационного рассеяния. Этот метод позволяет обнаруживать даже отдельные молекулы вещества. Кроме того, комбинационное рамановское рассеяние сегодня широко используется в волоконно-оптических сетях для усиления сигнала.

До сих пор для усиления комбинационного рассеяния использовались устройства по размерам большие, чем длина волны излучения: волноводы или сферические микрорезонаторы. Однако телекоммуникационная индустрия требует создавать все более и более миниатюрные устройства — они потребляют меньше энергии, их проще «упаковать» на электронном или оптическом чипе.

Группа с участием Дениса Баранова из МФТИ (аспирант факультета проблем физики и энергетики) искала пути миниатюризации усилителей комбинационного рассеяния.

Рисунок 2. Условное изображение резонансного ко...

Рисунок 2. Условное изображение резонансного комбинационного рассеяния на наночастице. Падающее излучение возбуждает резонанс частицы — магнитную дипольную моду, изображенную синей стрелкой. Электрическое поле магнитной моды взаимодействует с колебаниями кристаллической решетки в резонансной кремниевой наночастице, вследствие чего рассеянный свет меняет свою длину волны. Изображение предоставлено авторами исследования.

Исследователи использовали кремниевые наносферы, где возникает оптический резонанс, так называемый резонанс Ми. Резонансы Ми возникают в любых сферических частицах, при этом резонансные длины волн зависят именно от размера частицы. Один из резонансов, наблюдающийся для самой большой длины волны — магнито-дипольный резонанс, как правило, его длина волны сопоставима с диаметром частицы. В кремнии, однако, из-за высокого значения его коэффициента преломления, магнито-дипольный резонанс наблюдается в оптическом диапазоне (с длинами волн более 300 нанометров) уже для наночастиц диаметром около 100 ннанометров.

Поэтому кремниевые наночастиц можно использовать как миниатюрный элемент для усиления различных оптических явлений, в т.ч., спонтанного излучения, усиленного поглощения света, генерации высших гармоник и др.

Рисунок 3. Темнопольное изображение массива кре...

Рисунок 3. Темнопольное изображение массива кремниевых частиц различных диаметров, использованных в эксперименте. На вставке показано изображение отдельной частицы в электронном микроскопе. Изображение предоставлено авторами исследования.

В эксперименте ученые исследовали поведение кремниевых наночастиц разного размера. Для определения размеров частиц их помещали под микроскоп и облучали белым светом. Частицы разных диаметров обладают резонансами Ми на разных длинах волн, поэтому они светятся разными цветами.

Затем ученые проверили как интенсивность комбинационного рассеяния зависит от диаметра кремниевой частицы. В полном соответствии с разработанной ими теорией, интенсивность комбинационного рассеяния оказалась максимальной при резонансном диаметре частицы. Интенсивность рассеяния такой частицей более чем в 100 раз превосходит величину комбинационного рассеяния в нерезонансных частицах других диаметров.

Рисунок 4. Экспериментально измеренный (точки) ...

Рисунок 4. Экспериментально измеренный (точки) и теоретически предсказанный (линии) спектр усиления комбинационного рассеяния для частиц различных диаметров. Максимум соответствует возбуждению магнито-дипольного резонанса кремниевой наночастицы. На вставке изобраено распределение электрического поля внутри резонансной частицы. 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.

Кремниевые наночастицы могут стать основой для создания миниатюрных оптических усилителей для оптоволоконных сетей. В перспективе такие частицы могут стать платформой для создания компактного нанолазера, использующего эффект вынужденного комбинационного рассеяния, что сулит очень интересные приложения в области медицины и биомикроскопии. В частности, детектирование сигнала комбианционного рассеяния от частиц, находящихся в организме, позволит отследить перемещение молекул лекарственных препаратов.