Одним из самых перспективных направлений исследований, проводимых на физфаке МГУ, является нанофотоника, позволяющая изготавливать специальные наноструктурированные материалы и изучать их взаимодействие с излучением, возникающие при этом эффекты нелинейной оптики. На кафедре квантовой электроники более десяти лет существует первоначально группа, а теперь Лаборатория нанофотоники и метаматериалов, возглавляемая доктором физико-математических наук Андреем Федяниным. Группа создана в 2006 году в ответ на открытие нового класса явлений — так называемой нанооптики, или фотоники метаматериалов.
Метаповерхности
Долгое время считалось,
что получить вещество с отрицательным показанием преломления просто невозможно.
Ведь для того, чтобы показатель преломления стал отрицательным в оптическом диапазоне, необходимо выполнение сразу двух условий: в данном спектральном диапазоне у вещества должны быть отрицательными одновременно ε и μ (эпсилон и мю) — то есть диэлектрическая и магнитная проницаемости. В природе таких веществ нет. Если гипотетически рассматривать поведение света в том случае, когда показатель преломления отрицательный,
возникают совершенно фантастические явления вроде плаща-невидимки, способного пускать световые лучи в обход предметов, тем самым скрывая их от внешнего наблюдателя.
Для всего этого нужно «всего лишь» научиться управлять показателем преломления в оптическом диапазоне, заставить свет огибать препятствия, отражаться в нужном направлении, менять индикатрису рассеяния и поглощения света. Такой раздел оптики называется «трансформационной оптикой», поскольку оперирует возможностью инжиниринга пространственного распределения показателя преломления.
Зарождение этого направления связано, в частности, с именем советского физика Виктора Веселаго. В 1960-е годы Веселаго теоретически рассмотрел задачу распространения и преломления света в том случае, если коэффициент преломления меньше нуля, и показал, что стандартные законы преломления и отражения — известные нам со школьной скамьи законы Снеллиуса — в этом случае начинают работать совершенно иначе, очень необычно. Можно, например,
сделать линзу, которая будет фокусировать свет, но при этом оставаться плоской.
Это называют «линзой Веселаго» (сейчас еще — «линзой Пендри — Веселаго»). Острую потребность в подобных устройствах испытывают конструкторы современных смартфонов, возникло даже особое направление — flat optics (плоская оптика).
Со временем выяснилось, что хоть отрицательного преломления в природе и нет, однако в оптическом диапазоне его получить всё же можно. Есть вещества, например металлы, у которых диэлектрическая проницаемость ε отрицательная. При этом магнитная проницаемость μ, всё равно остается положительной, и в начале 2000-х годов стало окончательно ясно, что создать материал с полноценным отрицательным коэффициентом преломления в оптическом диапазоне нельзя. Однако можно создать эффективное отрицательное μ, т. е. наноструктурировать вещество так, чтобы оно откликалось на магнитные поля таким образом, будто локальная магнитная проницаемость в оптическом диапазоне отрицательная.
Если сделать это наноструктурированное вещество из металла, где ε отрицателен, то мы получим вещество, которого нет в природе. Так появились метаматериалы («мета-» по-гречески «вне», «над»), у которых эффективные электромагнитные свойства оказываются «за пределами» обычных свойств составляющих такой метаматериал компонентов. Таким образом, всё же возможен не природный, а искусственный материал, где благодаря наноструктурированию одновременно выполняются условия отрицательности ε и отрицательности эффективного μ. Следовательно, эффективный показатель преломления (не «честный», настоящий и природный, а эффективный показатель преломления) становится меньше нуля.
Исходно под метаматериалами подразумевались вещества с отрицательным показателем преломления, или, если говорить аккуратно, с отрицательным эффективным показателем преломления, которые позволяли наблюдать интересные новые оптические явления.
Здесь важно сказать о естественных ограничениях. Выясняется, что практически невозможно создать метаматериал в слишком широком спектральном диапазоне.
«Это резонансные устройства, поэтому эффективное отрицательное μ у них реализуется только в узком спектральным диапазоне. Если мы говорим про оптический отклик в оптическом или ближнем инфракрасном диапазоне на металл, то, к сожалению, там есть мнимая часть ε, есть оптические потери, это система, в которой свет затухает, следовательно, реализовать полноценный материал с отрицательным ε и μ всё же не удается», — поясняет Андрей Федянин.
Тем не менее в ряде работ показано, что по крайней мере в узком спектральным диапазоне условия отрицательного показателя преломления можно реализовать с хорошей точностью (например, если облучать вещество монохроматическим или близким к монохроматическому лазерным излучением) — так и появляется новый оптический эффект.
Когда создавалась лаборатория нанофотоники и метаматериалов в начале 2000-х годов, эта тематика была как раз на пике своего развития, тогда казалось, что еще чуть-чуть — и инженеры благодаря наноструктурированию научатся создавать любые заданные трехмерные метаматериалы, изобретут полноценный плащ-невидимку, достигнут оптической невидимости макроскопических объектов, реализуют теле- и другие антенные устройства в СВЧ-диапазоне, в радиодиапазоне, в оптическом диапазоне... еще чуть-чуть — и метаматериалы прочно войдут в жизнь.
Однако упомянутые выше ограничения — то, что эти устройства, во-первых, узкополосные, резонансные; во-вторых, будучи изготовлены из металлов, обладают омическими потерями, оптическим поглощением, — привели к тому, что практическое применение трехмерных материалов оказалось существенно ограниченным. И после вала работ 2000-х специалисты стали понимать, что в поисках практических применений метаматериалов следует двигаться в иных направлениях.
Первое такое направление связано с переходом в двумерье. Дело в том, что сделать трехмерный структурированный объемный материал довольно тяжело и дорого. Если говорить про лабораторный образец, то такой образец изготовить можно, а вот с точки зрения практических применений изготовление трехмерного метаматериала — наноструктурированного во всех трех пространственных направлениях — представляет собой непосильную задачу, что лишает нас возможности создавать невидимые объекты макроскопических размеров.
Зато «в двумерье» существует огромное количество методов — не только нанолитографии, но и химических способов получения двухмерных объектов, в которых проявляются те или иные метаматериальные свойства. Поэтому изучение метаматериалов закономерно перешло сейчас от трехмерья к двумерью. В научной литературе уже практически не встречаются метаматериалы как таковые, всё больше говорят о метаповерхностях, т. е. двумерных метаматериалах, в которых за счет двумерного наноструктурирования, двумерного упорядочения возникают интересные свойства, которые в обычной природе действительно недостижимы. Этими свойствами, в частности, и занимается лаборатория Андрея Федянина, с ними прежде всего и связаны их последние работы.
«За время жизни нашей лаборатории интересы немножко менялись, — говорит Андрей Федянин. — Если начинали мы с различных трехмерных объектов, то сейчас интересуемся прежде всего двумерными объектами, их интересными модификациями, так называемыми полностью диэлектрическими метаповерхностями. Одним из существенных ограничений плазмонных, или металлических метаматериалов было их оптическое поглощение в видимом и инфракрасном диапазонах. И для того, чтобы этого избежать, примерно в 2011–2012 годах придумали новый подход, когда такого рода метаатомы, т. е. объекты, в которых появляется эффективный отрицательный магнитный момент, можно реализовать не в металлах, а в диэлектриках или в полупроводниках с высоким показателем преломления.
Это так называемые нерезонансные частицы, которые имеют размер меньше, чем оптическая длина волны, и у которых в характерном спектральном диапазоне появляется так называемый магнито-дипольный резонанс, свойства которого как раз близки к эффективному отрицательному магнитному моменту».
Так можно создавать метаатомы не только из металлов, но и из диэлектриков или из полупроводников в полосе прозрачности (оптические потери в таком случае будут существенно меньше, чем в металле). Такие полупроводники могут быть кремниевыми, а кремний — это материал микроэлектроники, довольно дешевый, хорошо изученный и востребованный. Технология работы с кремниевыми структурами давно освоена, потому что это основной материал микроэлектроники. Делать нанофотонные устройства на основе кремния — это очень привлекательно, потому что всё это легко встраивается в существующие технологические цепочки, следовательно, появляется надежда на быстрое практическое применение устройств — изготовление дешевых метаматериалов, дешевых метаповерхностей на основе кремниевых наноструктур.
Фотонный переключатель
Термина «фотонный компьютер» в лаборатории стараются избегать (так же, как другого жаргонизма из научно-популярной литературы — «плаща-невидимки»).
«В этих терминах пока нет реальной физики», — говорит Андрей Федянин.
Пока что собираются лишь примитивные логические схемы, которые нельзя назвать даже прототипами компьютеров.
Однако суть намечающегося переворота объяснить несложно. Современные информационные технологии используют в своих микроэлектронных устройствах в качестве носителя информации электроны, и пока это почти всех устраивает. Это очень удобно, поскольку электроны — заряженные частицы, соответственно, их потоками можно управлять с помощью электрических потенциалов. Отсюда появляются активные устройства типа диодов, транзисторов, сборок транзисторов, которые называют микросхемами, чипами.
На основе транзисторов изготовлены все современные процессоры, и человечество за последние полвека научилось очень хорошо управлять потоками электронов на микро- и наноуровне с приличной скоростью, это лежит в основе всей микроэлектроники и наших современных компьютеров.
Однако у электронов есть и существенные недостатки — прежде всего, это их омические потери. Кроме того, есть фундаментальные ограничения на частоту срабатывания устройств, основанных на принципах микроэлектроники — на принципах управления потоками электронов. Один из выходов в данной ситуации — рассмотреть возможность использования в качестве носителя информации фотонов, т. е. квантов электромагнитного излучения. Гипотетическое устройство, которое сможет использовать фотоны как носитель информации, оперировать ими, выстраивать элементы логики на основе фотонов, собственно и называется фотонным компьютером.
Аналогично микросхемам, электронным чипам, можно будет говорить о фотонном чипе, т. е. о неком устройстве,
которое реализует логические функции, управляя потоками фотонов.
Конечно, мы не говорим пока о полноценных компьютерах в виде системных блоков, в которых вместо электронов в процессорах могут бегать фотоны. Мы говорим о неких элементарных объектах типа транзистора, усилителя, или мультиплексора, который производит элементарные операции над потоками фотонов. Отсюда возникает наше желание исследовать так называемые оптические переключения, или, по-английски, all-optical switches (полностью оптические переключения), т. е. микроструктуры, позволяющие перенаправлять световые потоки при помощи внешних воздействий.
Вариантом подобных воздействий могут быть другие световые потоки — условно говоря, один фотон может управлять тем, куда побежит другой фотон, или одним лазерным пучком можно управлять направлением распространения другого лазерного пучка. Это и называется полностью оптическим переключением, т. е. переключением, которое не требует использования внешних электрических или магнитных импульсов.
«Именно это направление нами активно развивается. Мы пытаемся создавать кремниевые наноструктуры на основе нерезонансных наноантенн и нерезонансных метаповерхностей, которые бы реализовали функции оптического переключателя. Еще раз подчеркну: это не фотонный компьютер. Это некие устройства, из которых в будущем будет составлен фотонный компьютер, т. е. это устройства, которые могут управлять потоками света, а следовательно, в будущем совершать те или иные логические операции, операции булевой алгебры, но основанные не на управлении потоками электронов, как в современной микроэлектронике, а потоками фотонов.
И, действительно, такие устройства мы разработали и реализовали, а сейчас активно пропагандируем, исследуем их свойства, нелинейные оптические свойства, временные характеристики. Используем различные материалы. Что нам удалось сделать? Например, на кремниевых структурах нам удалось за счет методов нелинейной оптики реализовать оптическое переключение с очень высокой частотой, с очень короткими временами.
Характерные времена переключения наших устройств составляют порядка 100 фемтосекунд!
1 фс — это 10–15 с, а 3 фс — это одно переколебание электромагнитной волны в вакууме, это означает, что 100 фс — это всего лишь 30 переколебаний электромагнитной волны, т. е. это очень короткие времена. Именно за это время нам удается реализовать оптическое переключение в кремниевых структурах».
В ответ на вопрос, в чем уникальность этой разработки в сравнении с западными аналогами, Федянин подчеркнул, что ученые из МГУ стали первыми, кто реализовал полностью оптической переключатель на кремниевых метаповерхностях. Это работа 2014 года, и она уже сейчас, по прошествии трех лет, имеет очень высокий индекс цитирования: примерно 200 других работ уже процитировали статью. При этом особый интерес ученых кафедры квантовой электроники вызывают эффекты нелинейной оптики, которые как раз и позволяют реализовать оптические переключения (можно считать это естественной нишей университетских ученых, их основным конкурентным преимуществом), а также использование сверхбыстрых фемтосекундных лазерных источников.
Сотрудники лаборатории не собираются останавливаться на достигнутом, изучают возможность использования не только кремния, но и, например, арсенида галлия (соединения галлия и мышьяка GaAs). Это очень известный полупроводник для фотоники. Поскольку галлий-арсенид, в отличие от кремния, прямозонный полупроводник, то многие светоизлучающие устройства созданы на основе именно полупроводников семейства GaAs.
«В них мы также реализовали метаповерхности. Мы это делали вместе с нашими американскими коллегами из Национальной лаборатории Сандия, которые по нашему дизайну изготовили такого рода полупроводниковые метаповерхности на основе арсенида галлия, реализующие оптические переключения на временах порядка единиц пикосекунд, но зато глубина переключения достигала нескольких десятков процентов. И такая статья у нас вышла в журнале Nature Communications в прошлом году. И мы были первыми, кто реализовал оптическое переключение в метаповерхностях, изготовленных из прямозонных полупроводников».
Из задач, стоящих перед учеными этого направления, — построение максимально миниатюрного фотонного переключателя для практических применений, а также решение проблемы масштабируемости — построение уже фотонных чипов, т. е. устройств, где монтируются сотни, а лучше тысячи «фотонных транзисторов».
Оптический пинцет
Наконец, еще одна «большая любовь» лаборатории нанофотоники и метаматериалов — это оптические, или лазерные пинцеты. При помощи сильно сфокусировано лазерного пучка можно создать трехмерную оптическую ловушку, способную захватывать микро- или нанообъект без какого-либо иного внешнего воздействия — только с помощью оптического — лазерного — излучения.
В эту ловушку можно не просто захватить объекты микронного или субмикронного размера, но и исследовать их термодинамические свойства, броуновское движение, даже взаимодействия двух микро- или нанообъектов, измеряя силу этих взаимодействий вплоть до фемтоньютонового диапазона (10–15 Н). То есть использовать оптические ловушки как прецизионные методы измерения сил в наномасштабах. В лаборатории нанофотоники и метаматериалов такого рода лазерные ловушки изготовлены, там есть установки, в которых реализованы даже не одиночные, а двойные лазерные ловушки — ловушки, которые позволяют захватывать две отдельные независимые частицы.
Исследовались, например, взаимодействия пары эритроцитов. Эритроциты — это красные кровяные тельца, транспортирующие кислород в кровотоке животных и человека, они имеют тенденцию постоянно слипаться и разлипаться. Это процессы так называемой агрегации-дезагрегации эритроцитов.
До последнего времени никто не мог измерить силы взаимодействия этих эритроцитов, а вот Андрею Федянину с коллегами это удалось — путем захвата парных эритроцитов в две оптические ловушки и измерения сил взаимодействия между ними. Первая работа об этом вышла в 2012 году.
Затем исследовалось взаимодействие двух магнитных частиц. «Нас интересовало то, с какой силой и как взаимодействуют между собой две магнитные частицы, если размер каждой меньше микрона, как можно управлять этими силами», — говорит Андрей Федянин. Он считает, что лазерные ловушки — чрезвычайно перспективный способ манипуляции микрочастицами, позволяющий, кроме всего прочего, измерять сверхмалые силы в нано- и микромире. «Пожалуй, нет другого такого метода, который позволил бы измерять силы с точностью до одного фемтоньютона», — заключает Андрей Федянин.