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

  • 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.
    547
  • 11/01/2021

    Институты и научные центры СО РАН в 2020 году: события и достижения. Часть I

    ​​Институт солнечно-земной физики СО РАН завершил строительство объекта "Оптические инструменты" в Бурятии. Академик Валерий Бухтияров прокомментировал попадание Института катализа СО РАН под санкции США.
    417
  • 21/05/2019

    По итогам сочинского форума «Наука будущего — наука молодых»

    ​В Сочи завершились III Международная конференция «Наука будущего» и IV Всероссийский форум «Наука будущего — наука молодых». Мы попросили сибирских ученых, в них участвующих, рассказать, какие проекты они представляли на мероприятиях форума и с какими целями приехали сюда.
    1336
  • 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.
    1047
  • 19/01/2019

    Илья Рыжков: «Мы одни из первых в России начали создавать мембраны, управляемые электрическим полем»

    Красноярский край — один из самых индустриально развитых регионов России. Благодаря уникальным природным ресурсам в крае преобладают такие отрасли промышленности, как цветная металлургия, электроэнергетика, деревообработка и химическая промышленность.
    1558
  • 17/07/2020

    СО РАН направляет в Арктику большую норильскую экспедицию

    ​​Группа ученых из Российской академии наук всесторонне изучит экологическую среду территории и представит предложения и рекомендации по наилучшим природосберегающим решениям для деятельности промышленных компаний в Арктическом регионе.
    1683
  • 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.
    697
  • 28/01/2021

    «Не надо плакаться, надо работать»

    О научной России, как быть в ней выдающимся ученым, о коронавирусной обстановке и объединении двух крупнейших научных фондов рассказал заслуженный деятель науки РФ, руководитель научного направления «магнетизм» в Институте физики им.
    637
  • 01/02/2021

    ИК СО РАН запустил еженедельный онлайн-семинар для будущих пользователей ЦКП «СКИФ»

    Лаборатория перспективных синхротронных методов исследования (ЛПСМИ) Института катализа СО РАН провела первую серию семинаров для объединения потенциальных отечественных пользователей ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов» и обмена опытом по использованию синхротронного излучения (СИ) в различных областях науки.
    224
  • 16/02/2021

    День российской науки — 2021

    Традиционно в честь Дня российской науки сибирские институты проводят просветительские мероприятия для студентов, школьников и всех, кто желает узнать чуть больше о большой науке. ​«Этот год был объявлен годом науки и технологий.
    412