В Отделе люминесценции Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) были созданы трехкомпонентные гибридные наночастицы, которые могут послужить основой для нанолазеров.
С момента своего изобретения лазеры нашли очень широкий спектр применений. В силу уникальных свойств излучения лазеров, они широко применяются во многих отраслях науки и техники, а также в быту (проигрыватели компакт-дисков, лазерные принтеры, считыватели штрих-кодов, лазерные указки и пр. ). Но уменьшение их габаритов в тысячи раз способно расширить сферу их применения. Нанолазер может лечь в основу нового класса устройств — от оптических микроскопов высокого разрешения до фотонных персональных компьютеров, что в свою очередь, позволит сделать все эти устройства намного более экономичными и эффективными. Без создания нанолазеров обществу будет трудно добиться дальнейшего прогресса как в различных областях науки, так и в технике.
В настоящее время уже был создан первый прототип нанолазера, который получил название «Spaser». Он представляет собой двухкомпонентную гибридную наночастицу золота, покрытую стеклоподобной оболочкой, заполненной красителем. Как и обычному лазеру для достижения необходимой энергии спазеру требовалась специальная накачка внешним источником электромагнитного излучения, и эта задача была решена при помощи освещения гибридных наночастиц лазерными импульсами.
В Отделе
люминесценции Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) также
занимаются проблемой создания нанолазеров.
О проделанной работе в данном направлении рассказывает молодой
сотрудник ФИАН кандидат физ.-мат. наук Дмитрий Чубич: «Мы
также рассматривали гибридные наночастицы золота, покрытые красителем,
т. е. аналогичную систему. Но мы пошли другим путем: наше основное
внимание было направлено на спонтанное излучение (люминесценцию), а не на вынужденное, как учеными США».
Ученые ФИАНа вплотную занимаются разработкой схем изготовления таких
конструкций, а также исследованием их спектральных свойств.
«Сначала мы повторили результаты японских ученых, но они работали
только с одним красителем, а мы использовали различные виды красителей.
Оказалось, что варьируя красителем, можно изменять спектральные
свойства таких систем, — делится Дмитрий Чубич. — В ходе
дальнейших экспериментов было обнаружено, что если на поверхность
металла поместить хорошо светящуюся молекулу красителя, то ее
люминесценция будет полностью потушена, а по мере отодвижения этой
молекулы от металлического ядра, она начинает лучше светить. Но нам необходимо было сохранить плазмон-экситонное взаимодействие ядра и молекул красителя, поэтому мы решили посмотреть, как поведут себя
трехкомпонентные наночастицы».
В результате учеными ФИАНа были созданы трехкомпонентные
наночастицы, состоящие из металлического ядра (Au, Ag диаметром 6 нм),
покрытого двумя концентрическими оболочками органического вещества:
монослоем диэлектрика (TMA), поверх которого располагалась оболочка
красителя. Таким образом, была реализована идея металлоорганической
наночастицы, в которой краситель «отстоит» от ядра на расстоянии 1,2 нм
(приблизительно равном длине молекулы диэлектрика). При такой
конструкции наночастиц можно существенно ослабить тушение люминесценции,
сохранив при этом взаимодействие ядра и оболочки.
«В данный момент
нами уже подана заявка на патент прибора, который будет иметь название
«экситон-плазмонный наноизлучатель», — рассказывает Дмитрий Чубич. -
После перехода к трехкомпонентным наночастицам и успешного решения
вопроса с люминесценцией таких систем теперь мы переходим к изучению
вынужденного излучения на наших объектах».
Работы в данном направлении будут продолжаться, ведь остается еще
ряд нерешенных вопросов, например, расходящиеся волны наночастиц
излучают свет по всем направлениям, тогда как «нормальный» лазер должен
производить узконаправленный луч света. Более того, ученые полагают, что
способности спазера могут оказаться полезными в практическом плане —
для разработки нового поколения сверхбыстрой наноэлектроники.