​Группа российских, шведских и американских учёных доказала необходимость оперировать точными количественными данными при изучении коллективных эффектов в массивах диэлектрических наночастиц.

Выяснилось, что качество резонанса, возникающего в массивах с известным количеством частиц (даже в крупных массивах порядка 100×100 единиц), может быть существенно ниже, чем предсказывали расчёты на основе модели бесконечной нанорешётки. Секрет кроется в сильном перекрёстном взаимодействии, возникающем в реальности между электрическим и магнитным диполями. Этот фактор игнорируется (как оказалось, совершенно напрасно) в большинстве современных теоретических и экспериментальных исследований, основанных на моделировании бесконечных структур. Подробности работы отражены в журнале Optics Letters.

Фотонные устройства, в основе которых лежат различные манипуляции с частицами света — фотонами — не зря называют устройствами будущего. Кому не хотелось бы использовать светодиодную лампу в качестве Wi-Fi-роутера? Немецкому физику Харальду Хаасу удалось в 2011 году достичь таким „ламповым“ способом скорости передачи данных 224 Гб/с. Эта скорость позволяет скачивать до двадцати фильмов по 1,45 ГБ за одну секунду. К сожалению, такие приборы, как фотонные компьютеры или смартфоны, появятся в нашем быту ещё не скоро. Зато в медицине прогнозируется скорое появление лазеров, работающих благодаря особому высокодобротному резонансу, возникающему в результате слаженной работы наночастиц. Как улучшить качество этого резонанса? Конечно же, скрупулёзно посчитав, сколько частиц должны трудиться над его производством, — полагают авторы нового исследования.

В предыдущих работах мы показали, как влияют на массив наночастиц кремния различные дефекты. Оказалось, если сильно сдвинуть частицы относительно друг друга, пострадает или электрическая, или магнитная дипольная связь. Если изменить размер наночастиц — изменится только магнитная связь. Если выбить случайным образом до 80 % частиц с их привычных позиций, решётка, составленная из „уцелевших бойцов“, всё равно будет работать. Но вопрос, сколько наночастиц в точности должно находиться на своём „посту“, чтобы производить супердобротный резонанс, оставался открытым. Рады сообщить, что наша группа нашла на него ответ, — рассказал научный руководитель исследования, профессор базовой кафедры фотоники и лазерных технологий Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ, доктор физ.-мат. наук Сергей Карпов.

С математической точки зрения для изучения любых явлений в массивах наночастиц проще использовать модель бесконечной решётки. К сожалению, полученные результаты так же мало соответствуют реальному положению дел, как рисунок коня соответствует настоящему животному из плоти и крови.

Должен отметить, что сакраментальная фраза о размере, который имеет значение, полностью описывает ситуацию, когда вам нужно получить как можно более точные данные о реально работающем массиве наночастиц. Мы глубоко уважаем математику, однако достоверность расчётов, выполненных с помощью модели бесконечной нанорешётки, в некоторых случаях вызывает большие сомнения. Если нужно получить высокодобротный резонанс, который позволит лазерам, например, проводить сложные медицинские манипуляции за считанные секунды, придётся в прямом смысле „пересчитать по головам“ наночастицы, которые будут этот резонанс создавать. Чем больше будет таких частиц, тем совершеннее мы получим резонанс в итоге, и тем выше будет качество оборудования, которое работает на основе этого резонанса», — отметил соавтор исследования, выпускник СФУ, постдок Института оптики Рочестерского университета Илья Рассказов.

Рекомендуя считать наночастицы с аптекарской точностью, учёные международной группы открывают свой секрет: им удалось отыскать фактор, который традиционно упускают из виду коллеги, работающие с моделями бесконечной нанорешётки.

В модели бесконечной решётки дипольная электрическая связь и магнитная связь, возникающие в наночастицах под воздействием внешнего излучения, абсолютно не взаимодействуют друг с другом. Связи есть, но они умозрительно разведены по разным углам, как боксёры, которые так и не сходятся в поединке. А вот если вы обращаетесь к реальным физическим границам массива из наночастиц, становится очевидно — борьба на ринге идёт вовсю, и это заметно влияет на качество резонанса, который наночастицы выдают, — резюмировал соавтор исследования, выпускник СФУ, аспирант Королевского технологического института Вадим Закомирный.

Следует отметить очевидную пользу этого научного наблюдения для экспериментаторов, изучающих потенциал наночастиц для их применения в нанофотонике и уже упомянутой медицине. Авторы исследования уверены, что полученные результаты поспособствуют более оптимальному и продуманному проектированию фотонных устройств, которые постепенно появляются в научных центрах, а в скором времени войдут и в нашу привычную жизнь и будут решать осязаемые практические задачи.

В работе над исследованием участвовали сотрудники Сибирского федерального университета, Королевского технологического института (Стокгольм, Швеция), Федерального Сибирского научно-клинического центра ФМБА России (Красноярск), Института физики им. Л. В. Киренского Российской академии наук">СО РАН, Института вычислительного моделирования Российской академии наук">СО РАН, Сибирского государственного университета науки и технологий им. М. Ф. Решетнёва и Рочестерского университета (Рочестер, США).

Работа поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ).

Похожие новости

  • 17/04/2019

    Российские ученые создали «умные» керамические фильтры для промышленности

    ​Российские ученые создали нанокомпозитный материал, который улучшит свойства мембран из электропроводной керамики и электрохимических датчиков. Такие мембраны смогут выборочно выделять и пропускать одни ионы и "отвергать" другие, сообщила пресс-служба Сибирского федерального университета (СФУ).
    453
  • 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.
    1283
  • 29/12/2018

    Найдены факторы, которые влияют на адаптацию деревьев к изменениям климата

    ​​Экологи из Сибирского федерального университета совместно с иностранными коллегами оценили, как генетические особенности и внешние условия влияют на эффективность использования воды и активность роста сосны обыкновенной (Pinus sylvestris).
    1092
  • 23/06/2018

    Российские ученые нашли вещество, ослабляющее защиту раковых клеток

    ​Российские молекулярные биологи открыли вещество, способное "отключать" белки, мешающие химиотерапии убивать раковые клетки, и успешно проверили его работу на культурах рака прямой кишки.
    1384
  • 22/11/2016

    На интерактивной выставке в Красноярске выступит известный британский популяризатор науки

    С 25 по 27 ноября 2016 года в международном выставочно-деловом центре "Сибирь" пройдёт интерактивная научно-популярная выставка "Город открытий". В программе мероприятия научные шоу, мастер-классы, а также десятки познавательных лекций для всех желающих от известных российских и зарубежных популяризаторов науки.
    1031
  • 16/01/2019

    Ученые СФУ помогут создать устойчивые к засухам породы хвойных деревьев

    ​Научный коллектив под руководством ведущего научного сотрудника Института общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН, руководителя лаборатории лесной геномики СФУ, профессора Гёттингенского университета Константина Крутовского и академика РАН, научного руководителя СФУ Евгения Ваганова изучает влияние индивидуального генотипа и уровня индивидуальной гетерозиготности на индивидуальную приспособленность, стабильность развития (гомеостаз), жизнеспособность и устойчивость деревьев к стрессам на примере сибирской лиственницы (Larix sibirica Ledeb.
    929
  • 20/06/2018

    Ученые объяснили формирование суперземель

    ​Российские ученые проанализировали эволюцию молодых звезд и выяснили, как формируются планеты на ранних стадиях. Это поможет изучать процессы, происходящие при образовании экзопланет, что позволит лучше понять структуру и строение космических тел, находящихся в том числе и в Солнечной системе.
    806
  • 21/02/2019

    Изучено влияние малых доз радиации на растения

    Радиобиологи и генетики из Сибирского федерального университета, Института клеточной биологии и генетической инженерии (Украина) и Гёттингенского университета (Германия) выяснили, как малые дозы радиации влияют на процессы жизнедеятельности и развития растений и как этот механизм в перспективе поспособствует использованию сельскохозяйственных растений для очищения и восстановления районов Чернобыльской зоны отчуждения.
    644
  • 06/12/2019

    Физики рассказали, как наночастицы повысят эффективность лазеров будущего

    ​Группа российских, шведских и американских ученых доказала необходимость оперировать точными количественными данными при изучении коллективных эффектов в массивах диэлектрических наночастиц. Выяснилось, что качество резонанса, возникающего в массивах с известным количеством частиц (даже в крупных массивах порядка 100×100 единиц), может быть существенно ниже, чем предсказывали расчеты на основе модели бесконечной нанорешетки.
    291
  • 15/03/2017

    Молодые ученые Красноярска создают «умные нанофильтры»

    ​Молодые ученые из России и Украины приехали в Красноярск для работы над инновационным проектом. Научный коллектив создает в лаборатории мембраны, способные разделять компоненты жидких смесей. Ученые уверены: такая технология может найти свое применение в металлургической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности.
    1531