Учёные Сибирского федерального университета совместно с коллегами из Королевского технологического института (Стокгольм, Швеция), Федерального Сибирского научно-клинического центра ФМБА России (Красноярск), Института физики им. Л. В. Киренского СО РАН, Сибирского государственного аэрокосмического университета им. М. Ф. Решетнёва и Рочестерского университета (Нью-Йорк, США) изучили феномен коллективного решёточного резонанса, возникающего в оптическом спектре упорядоченных массивов кремниевых наночастиц. 

Исследователи смоделировали несколько возможных дефектов, возникающих при построении этих массивов, и предложили способы, с помощью которых можно экономить материалы для производства наночастиц. Предполагается, что полученные результаты помогут в создании диэлектрических фотонных устройств будущего — лазеров, компактных волноводов, обладающих меньшими потерями по сравнению с обычными волокнами, оптических запоминающих и логических устройств и дисплеев. О том, как привычная оптика меняется буквально на наших глазах, учёные рассказали в журнале Оптического общества Америки «Journal of the Optical Society of America B».

Маятник часов, струны скрипки или гитары, звучание человеческого голоса, лазерное оборудование, использующееся в медицинском центре, — все эти явления существуют благодаря общему физическому принципу резонанса. Резонанс — это совпадение частоты одного колебания с частотой другого, которое приводит к резкому возрастанию интенсивности колебаний. Все современные оптические устройства, телевидение, радиоприборы успешно функционируют благодаря этому явлению с середины 20 века, однако учёные утверждают, что сфера использования резонанса становится гораздо шире.

Известно, что из наночастиц можно выстраивать различные периодические структуры. Если „поиграть“ длиной волны, излучающей эти частицы, или изменить период между ними, можно добиться интересного эффекта — все частицы возбудятся одновременно и в оптическом спектре появится особый высокодобротный резонанс. Этот эффект можно использовать для создания высокочувствительных сенсоров, которые будут моментально реагировать на присутствие в изучаемой среде каких-то определённых биологических соединений, или, например, газов (в том числе, ядовитых). В США уже начато производство сверхкомпактных лазеров: на тончайшую плёнку из наночастиц наносится флуорисцирующий слой — в итоге получается инструмент для испускания очень интенсивного излучения. Представьте лист школьной тетради „в клеточку“ — мысленно нарисуйте „точки“ в углах каждой клетки — у вас получится упорядоченная система, в которой „точки“-наночастицы находятся на строго заданном расстоянии друг от друга. Дальше нужно направить световое излучение на эти „точки“ и отрегулировать расстояние между нами и частоту излучаемой волны так, чтобы все частицы „завибрировали“ одновременно. Получится как в старом добром примере с мостом и ротой солдат — наночастицы будут „шагать в ногу“, и мы получим сильнейший резонанс. Но, в отличие от примера с солдатами, считается, что нам не всё равно, как расположены частицы по отношению друг к другу — у каждой должна быть своя зафиксированная позиция, да и сами частицы должны быть идентичными, иначе нужного эффекта не достичь», — рассказал научный руководитель исследования, профессор базовой кафедры фотоники и лазерных технологий Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ, доктор физ.-мат. наук Сергей Карпов.

 Учёный сообщил, что в ходе исследования его коллеги задались вопросом — можно ли нарушать правила, по которым работает эта система, и к чему эти нарушения приведут? Исследователи изучили три типа дефектов, которые могут возникнуть в упорядоченных нанорешётках. Выяснилось, что если существенно изменить позицию частиц в решётке относительно друг друга (их период), пострадает или электрическая дипольная, или магнитная дипольная связь. Если изменить размер частиц — например, существенно укрупнить одни или уменьшить другие наночастицы, — изменится только магнитная связь. Наиболее неожиданное открытие состоит в том, что если из упорядоченного массива случайным образом «выбить» значительное количество наночастиц (до 84 %) — 2D-решётка всё равно будет «работать» и производить необходимый высокодобротный структурный резонанс.

«Мы разработали некоторые рекомендации для экспериментаторов, синтезирующих подобные наночастицы, — оказалось, что можно не проявлять особую скрупулёзность в размере частиц, и даже если какое-то их количество будет потеряно — в этом тоже нет ничего страшного для системы. Это знание в определённом смысле поможет сэкономить ресурсы — если можно минимизировать количество потраченного кремния, а тем более серебра или золота, из которых часто производят наночастицы, и сделать не 500, а 100 таких „боевых единиц“, почему бы не воспользоваться такой возможностью без ущерба для конечного результата?», — отметил соавтор исследования, выпускник СФУ, постдок Института оптики Рочестерского университета Илья Рассказов

 Пресс-служба СФУ 


Похожие новости

  • 14/06/2018

    Наночастицы нитрида титана повысят производительность оптоволоконных линий связи

    Ученые Федерального исследовательского центра Красноярский научный центр СО РАН (ФИЦ КНЦ СО РАН) совместно с коллегами из Сибирского федерального университета, Сибирского государственного университета науки и технологий им.
    1189
  • 01/11/2017

    Сибирские ученые изучили новый тип нанопластин для применения в медицине

    ​Ученые из Института физики имени Л. В. Киренского Красноярского федерального исследовательского центра Сибирского отделения РАН совместно с коллегами из Сибирского федерального университета впервые изучили магнитные свойства, структуру и состав новых наночастиц семейства халькогенидов (элементов 16-й группы периодической системы, к которым относятся кислород, сера, селен, теллур, полоний и ливерморий).
    1462
  • 16/01/2018

    Российские физики обнаружили у жидких кристаллов эффект памяти

    ​Сотрудники физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова совместно с российскими и зарубежными коллегами обнаружили эффект памяти в жидких кристаллах под действием сильных электрических полей. Результаты исследования были опубликованы в журнале Scientific Reports.
    1541
  • 23/11/2017

    Сибирские ученые модернизировали метод расчета движения жидкостей

    ​Исследователи из Сибирского федерального университета (СФУ) в сотрудничестве с коллегами из Московского государственного университета и Сибирского отделения РАН предложили использовать для гидродинамических расчетов систему из нескольких графических процессоров вместо центрального.
    1078
  • 10/03/2017

    Красноярские ученые разработали нанопорошки для синтеза новых алюминиевых сплавов

    ​Научный коллектив Федерального исследовательского центра "Красноярский научный центр СО РАН" совместно с учеными Сибирского федерального университета разработал новый метод синтеза алюминиевых сплавов, применение которого позволит создавать новые виды продукции с улучшенными характеристиками на основе алюминия.
    1460
  • 23/08/2019

    Ученые ИВМ СО РАН и АлтГУ создали математическую основу для упрощения работы в области жидкостных технологий

    Ученые Алтайского государственного университета и Института вычислительного моделирования ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» завершили первый этап работы над проектом по исследованию процессов тепломассообмена и динамики явлений в многофазных системах.
    446
  • 16/04/2019

    Ученые создали математические модели для изучения ранних фаз планетарной эволюции

    ​Международная группа исследователей, изучающая планету в системе молодой звезды в созвездии Скорпиона, создала математическую модель верхней атмосферы для различных планетарных гипотетических масс. Исследование этого небесного тела позволяет изучать планетарную эволюцию на ранних фазах, сообщили в пресс-службе Сибирского федерального университета (СФУ).
    380
  • 01/11/2019

    Экраны смартфонов и телевизоров станут еще красочнее за счет нового светящегося материала

    Ученые из России и Китая создали материал с "идеальным" зеленым свечением, который может повысить качество цветопередачи телевизоров и экранов смартфонов, сделав картинку более естественной и насыщенной.
    227
  • 19/09/2019

    НГУ и ИЯФ СО РАН представили на форуме «Технопром» инновационную методику лечения рака

    ​​C 18 сентября в рамках VII Международного форума технологического развития «Технопром» Новосибирский государственный университет и Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера представят стенд, посвященный совместной работе центра бор-нейрозахватной терапии онкологических заболеваний.
    508
  • 06/11/2019

    Как делать наноматериалы из спирта?

    ​Ученые Сибирского федерального университета (СФУ) и Института вычислительного моделирования СО РАН (Красноярск) нашли новый эффективный способ производства углеродных наноструктур. По словам ученых, технология найдет применение в электронике, химической промышленности и энергетике.
    314