Учёные Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии Сибирского федерального университета сообщили в высокорейтинговом международном журнале Physical Review B, входящем в группу Nature Index, о возможности подавления обратного рассеяния света (так называемый эффект Керкера) при взаимодействии электромагнитного излучения с плазмонным материалом в виде двумерного массива наночастиц алюминия. 

Как показано в статье, за реализацию предсказанного оптического эффекта ответственна конструктивная интерференция отдельных мод электрического или магнитного поля и мод решетки (аномалий Рэлея). Исследователям впервые удалось показать, что полное подавление обратного рассеяния света может наблюдаться даже в плазмонных материалах не только в узком спектральном диапазоне, как в классических плазмонных материалах (золото, серебро), но в очень широком диапазоне длин волн, в том числе в ультрафиолетовом и видимом спектральных диапазонах путем простого изменения геометрии решеток (радиуса наночастиц) и расстояния между ними. 
Ранее эффект Керкера наблюдался в различных гибридных диэлектрических и металл-диэлектрических наноструктурах с сильными электрическими и магнитными модами. Существование обеих этих мод является необходимым условием для проявления эффекта Керкера. В классических плазмонных материалах магнитные моды подавлены, что ограничивает использование классических плазмонных наноструктур. Для преодоления этого ограничения мы впервые исследовали возможность существования эффекта Керкера в периодическом массиве наночастиц альтернативного и дешевого плазмонного материала, — алюминия и обнаружили существенно новый и практически важный эффект. При этом стоит сказать, что для одиночной частицы алюминия подавление рассеяния света назад неосуществимо, то есть важен не только материал, но и его особая наноструктура, — рассказал старший научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии Валерий Герасимов. 
Сотрудники Центра численно смоделировали взаимодействие внешнего электромагнитного поля с двумерной решеткой наночастиц алюминия с заданными геометрическими размерами (радиус частиц, период структуры вдоль одной или другой оси) и исследовали конфигурации электрического и магнитного полей, а также спектры пропускания такой системы. Именно в спектрах пропускания двумерного массива обнаружилось подавление обратного рассеяния света — эффект Керкера. 
Ещё несколько десятилетий назад теоретически было предсказано, что упорядоченные периодические структуры из плазмонных наночастиц при взаимодействии с электромагнитным излучением могут демонстрировать узкие оптические резонансы в спектрах пропускания, добротность которых намного выше по сравнению с одиночными наночастицами, из которых состоит периодическая структура, — пояснил ведущий научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии, доктор физ.-мат. наук Сергей Карпов. ​
Такие оптические особенности связаны с гибридизацией спектра одиночной плазмонной частицы с колебаниями, распространяющимися по решеточной структуре. Эти решеточные резонансы были исследованы в широком диапазоне периодических наноструктур с различными типами элементарных ячеек: одиночных или парных нанодисков, цилиндров со структурой ядро-оболочка, димеров и более сложных конфигураций», — рассказал старший научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии Александр Ершов. 
На сегодняшний день уже стало очевидно, что периодические массивы наночастиц могут применяться как для прикладных, так и для исследовательских целей: например, в инфракрасной спектроскопии, узкополосном поглощении света, сенсорике, лазерах и флуоресценции, телекоммуникации и узкополосной передаче информации — везде, где требуется манипулирование потоками света. Важно отметить, что традиционные материалы наноплазмоники — золото и серебро — постепенно уступают пальму первенства другим альтернативным плазмонным материалам, например, проводящим оксидам (AZO, GZO, ITO), нитриду титана или вышеупомянутому алюминию. 

Интерес, проявленный специалистами Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии СФУ к этому материалу, обусловлен тем, что плазмонный резонанс алюминия (в отличие от серебра и золота) может быть расположен в ультрафиолетовой (УФ) области спектра. Эта особенность может быть использована, например, в фотокатализе и для изучения органических и биологических систем, проявляющих сильное УФ-поглощение. Кроме того, алюминий относительно дёшев и доступен, что открывает широкие возможности для изготовления и массового производства в таких перспективных областях, как цветная печать, фотоэлектрика, термоплазмоника, голография. 
«Современные потребности научно-исследовательского поиска в области перспективных материалов ориентированы на возможность проявления такими материалами уникальных физических свойств в заданном диапазоне, простоту изготовления новых устройств на их основе и коммерческие перспективы. Как мы показали в нашей работе новым многообещающим материалом наноплазмоники, помимо традиционных золота и серебра может стать алюминий, в котором проявляется весьма красивый и практически значимый эффект Керкера», — пояснил руководитель Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии СФУ Сергей Полютов. 
На видео показана динамика электрического поля в решетке из наночастиц алюминия (для одно элементарной ячейки решетки) на двух длинах волн, которые соответствуют максимуму и минимуму отражения 417 и 420 нм. Как видно, на длине волны 420 нм поле локализуется вблизи частиц решетки, однако отраженной волны не возникает. 

На видео ​показана динамика электрического поля в решетке из наночастиц алюминия (для одно элементарной ячейки решетки) на двух длинах волн, которые соответствуют максимуму и минимуму отражения 417 и 420 нм. Как видно, на длине волны 420 нм поле локализуется вблизи частиц решетки, однако отраженной волны не возникает. 

Похожие новости

  • 14/08/2020

    Красноярские учёные предложили модель нового легкоуправляемого оптического устройства

    ​​Ученые Сибирского федерального университета и Института физики ФИЦ КНЦ СО РАН предложили концепцию легко управляемого оптического устройства на основе гибридных таммовских мод.​ Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Optics.
    698
  • 10/11/2020

    Наука молодых: в СВФУ разрабатывают алгоритмы решения задач пороупругости

    ​​​Инженер-исследователь Международной научно-исследовательской лаборатории многомасштабного математического моделирования и компьютерных вычислений Северо-Восточного федерального университета Алексей Тырылгин реализует проект по разработке алгоритмов для решения задач пороупругости в неоднородных и трещиноватых средах.
    322
  • 03/02/2021

    Программа мероприятий, посвященных Дню российской науки

    ​Ежегодно 8 февраля российское научное сообщество отмечает свой профессиональный праздник — День российской науки. ​ По традиции к этой дате в институтах и вузах, находящихся под научно-методическим руководством Сибирского отделения РАН, приурочены научно-популярные мероприятия: дни открытых дверей, экскурсии, лекции и так далее.
    709
  • 04/08/2020

    Лето исследований. Сразу несколько экспедиций отправились в Арктику

    Совместный проект ЮНЕСКО и Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова — плавучий университет, научно-исследовательское судно «Академик Николай Страхов» вошло в акваторию Баренцева моря, где более 20 студентов из МГУ и других российских вузов при поддержке Министерства образования и науки России будут изучать перспективы нефтегазоносности этого района.
    1048
  • 19/10/2020

    Дипломами Общероссийского конкурса «Университетская книга-2020» отмечены издания СФУ и НГАСУ (Сибстрин)

    IX Общероссийский конкурс изданий «Университетская книга — 2020» посвящён двадцатилетнему юбилею проведения первого Общероссийского конкурса и приурочен к столетию Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.
    549
  • 03/08/2020

    Алтайский ученый рассказал об уровне науки и новых изобретениях

    Не в деньгах счастье, считает Владимир Плотников, доктор физико-математических наук, завкафедрой общей и экспериментальной физики Алтайского госуниверситета.  На его счету сотни научных работ, десятки изобретений.
    721
  • 15/09/2020

    Физики впервые создали модель для предсказания свойств любых молекул

    Группа ученых-физиков под руководством доцента ФФ ТГУ Рашида Валиева создала новую модель для расчета фотофизических характеристик молекул, которая применима для молекул любой природы, в том числе редкоземельных лантаноидов.
    649
  • 16/04/2019

    Рентген помог российским физикам уточнить структуру воды

    ​Международный коллектив ученых точно измерил силу водородных связей между молекулами воды и опроверг популярную сегодня теорию о том, как устроена эта необычная жидкость. Новое теоретическое описание структуры воды было представлено в журнале Nature Communications.
    1018
  • 20/12/2019

    Когда наука несет свет: ученые предложили производить светодиоды без редкоземельных металлов

     Международная группа учёных синтезировала и изучила соединение, которое поможет значительно удешевить производство светодиодов для получения белого света, имитирующего солнечный. Такие диоды широко применяются в освещении жилых и производственных помещений, для наружной рекламы и выращивания растений предприятиями агропромышленного комплекса.
    1053
  • 17/08/2020

    Аспиранты сибирских вузов – победители конкурса РФФИ: НГАУ, ТГУ, ИРНИТУ

    Аспиранты сибирских вузов получили гранты за лучшие проекты фундаментальных научных исследований. РФФИ на основании решения бюро совета Фонда (протокол № 10(237) от 06.08.2020) публикует списки поддержанных проектов по конкурсу на лучшие проекты фундаментальных научных исследований, выполняемые молодыми учеными, обучающимися в аспирантуре («Аспиранты»).
    615