Наши сделали американский нанолазер

Тигран Оганесян
24 августа 2009, 00:00

В Соединенных Штатах создан новый уникальный прибор — нанолазер на поверхностных плазмонах. Важнейшее участие в его разработке приняли ученые — выходцы из бывшего Советского Союза и России

Ученые — разработчики одного из самых перспективных направлений современных нанотехнологических исследований, нанофотоники, создали важнейшее устройство, которое может стать основным компонентом будущих оптических компьютеров.

Интернациональная команда физиков-экспериментаторов из трех американских университетов, Пардью, Норфолка и Корнелла, впервые продемонстрировала рабочий прототип нанолазера — самого маленького в истории генератора светового излучения, диаметр рабочей поверхности которого всего 44 нм. Это уникальное устройство называют также спазером или спейзером (от английской аббревиатуры SPASER — Surface Plasmon Amplification by Simulated Emission of Radiation), поскольку оно создает специфическую форму излучения — мощный волновой поток, стимулированный так называемыми поверхностными плазмонами (surface plasmons).

Краткий отчет о полученных исследователями результатах был представлен в онлайн-выпуске журнала Nature от 16 августа сего года. Среди ведущих авторов отчета, координировавших проект, два выходца из России — профессор Университета Пардью (штат Индиана) Владимир Шалаев и профессор Норфолкского университета (штат Виржиния) Михаил Ногинов. Владимир Шалаев - выпускник Красноярского государственного университета, в 1983 году защитил там же кандидатскую диссертацию и затем до 1990 года работал в красноярском Институте физики им. Л. В. Киренского. Михаил Ногинов окончил в 1985 году Московский физико-технологический институт (МФТИ) и стал кандидатом физматнаук в Институте общей физики им. А. М. Прохорова (ИОФ РАН).

Активное участие в проекте принимал еще один выпускник МФТИ (кандидатская диссертация 1995 года), Евгений Нариманов, тоже перебравшийся в Университет Пардью, а в костяк исследовательской команды Владимира Шалаева в этом университете входят Владимир Драчев и Александр Кильдишев.

Удивительные квазичастицы

Поверхностные плазмоны, изюминка разработанного обосновавшимися в Соединенных Штатах физиками нанолазера, — особая форма плазмонов, квазичастиц-квантов плазменных колебаний (как по аналогии фотон и фонон являются квантами световой и звуковой волн). Эти квазичастицы (волны электронной плотности) возникают в твердых телах или вблизи их поверхности в результате коллективных колебаний электронов проводимости относительно ионов. В свою очередь, поверхностные плазмоны — это кванты колебаний плотности свободных электронов металла, распространяющиеся только вдоль его границы с диэлектриком.

В разнообразных физических экспериментах, проводимых с начала 80-х годов прошлого века, поверхностные плазмоны возбуждали при помощи направленного к поверхности металла лазерного луча. В результате многочисленных проб и ошибок ученые установили, что при определенных условиях (точно подобранном угле лазера, варьировании толщины, химического состава соприкасающихся поверхностей и проч.) плазмонные волны могут колебаться с той же частотой, что и внешние электромагнитные. При этом у обычных световых волн эффективная длина ограничена дифракционным пределом, то есть при использовании обычных материалов с положительным коэффициентом преломления наилучшее разрешение, которое возможно получить при их помощи, соответствует примерно половине длины набегающей волны света, используемой для создания изображения. Плазмонные же волны распространяются на дистанции значительно короче, а значит, обладают длиной волны, намного меньше «магического предела».

Благодаря этому уникальному свойству поверхностных плазмонов у теоретиков возникла многообещающая идея их дальнейшего практического использования. А именно создания совершенно нового класса миниатюрных электронных устройств, базирующихся на эффективном управлении физическими свойствами плазмонных волн, проявляемыми на наноуровне.

На волне всеобщего научного энтузиазма от совсем еще молодой нанофотоники, раздела нанооптики, где исследуются наноразмерные поля со считаным количеством фотонов и поведение света на нанометровой шкале, на рубеже веков отпочковалось очередное технологическое поднаправление — наноплазмоника. Согласно определению, предложенному одним из ведущих российских специалистов в этой области - главным научным сотрудником Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) Василием Климовым, «наноплазмоника — составная часть нанофотоники, занимающаяся исследованием оптических свойств и явлений, возникающих при колебаниях электронов проводимости в металлических наноструктурах и наночастицах, и взаимодействием этих колебаний со светом, атомами и молекулами». Как отмечает Василий Климов, «важнейшее явление в наноплазмонике — сочетание сильной пространственной локализации электронных колебаний с высокой частотой этих колебаний (от ультрафиолетового диапазона до инфракрасного). В свою очередь, сильная локализация приводит к гигантскому увеличению локальных оптических и электрических полей. И наконец, свойства локализованных плазмонов критически зависят от формы наночастиц, что позволяет настраивать систему их резонансов на эффективное взаимодействие со светом или элементарными квантовыми системами (молекулами, квантовыми точками)».

Исследователи особенно рассчитывают на то, что благодаря очень малым размерам металлических наноструктур и оптическому быстродействию происходящих в них процессов наноплазмоника позволит создать новую элементную базу для оптических компьютеров и устройств обработки данных. Впрочем, для успешной реализации этой амбициозной идеи сначала должны появиться плазмонные устройства, аналогичные традиционным транзисторам (приборам для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний), из которых можно будет собирать сверхбыстрые сигнальные процессоры.

Наноплазмоника позволит создать новую элементную базу для оптических компьютеров и устройств обработки данных

Кому нужны спейзеры

Вплоть до настоящего времени дальнейшее активное развитие наноплазмоники серьезно сдерживалось отсутствием работающих устройств, способных эффективно генерировать когерентные плазмонные поля. Иными словами, на протяжении многих лет одной из ключевых практических задач, стоящих перед разработчиками новых наноплазмонных структур, считалось создание плазмонного аналога лазера. Теоретические основы такого устройства были впервые подробно изложены в 2003 году Марком Стокманом из Университета штата Джорджия (США) и израильтянином Давидом Бергманом (Тель-Авивский университет). К слову, Марк Стокман тоже наш бывший соотечественник, ученик академика Спартака Беляева, ректора и заведующего кафедрой теоретической физики Новосибирского государственного университета в 60–70-е годы. Именно Стокман и Бергман тогда же придумали для гипотетического прибора упоминавшуюся аббревиатуру SPASER, которая расшифровывается как «усиление стимулированного излучения поверхностными плазмонами».

После публикации ключевой работы ученых многочисленные теоретики и экспериментаторы с большим азартом набросились на поставленную проблему и предложили целый ряд оригинальных способов практической реализации пресловутого спейзера. И судя по первым комментариям ведущих спецов в сфере нанофотоники и наноплазмоники, недавние экспериментальные результаты, достигнутые Ногиновым, Шалаевым и Ко, могут стать настоящим прорывом на передовом исследовательском фронте.

Разработанный ими первый действующий прототип спейзера внешне представляет собой одиночную золотую наночастицу сферической формы, заключенную в кварцевую оболочку, поверхность которой была покрыта зеленым органическим красителем. Подобно обычному лазеру, для достижения необходимой энергии спейзеру требовалась специальная накачка внешним источником электромагнитного излучения, и эта задача была решена при помощи направленной бомбардировки наночастицы лазерными пучками. Облученная лазером наночастица возбуждала молекулы оболочечного красителя, и они, в свою очередь, передавали полученную энергию окружающим электронам, которые и создавали в итоге поверхностные плазмонные колебания. Возникшие благодаря плазмонным колебаниям расходящиеся электромагнитные волны обладали характерной для зеленого света длиной 531 нм.

Правда, справедливости ради следует уточнить, что эти расходящиеся волны излучали свет по всем направлениям, тогда как «нормальный» лазер должен производить узконаправленный луч света. Тем не менее, по словам Владимира Шалаева, зарегистрированные учеными характерные пики и подошвы световых волн свидетельствовали, что плазмонные колебания происходили синхронно, то есть они все-таки обладали важнейшим свойством лазерного излучения — когерентностью.

Более того, Михаил Ногинов полагает, что способность спейзера генерировать когерентные поверхностные плазмоны может оказаться в практическом плане даже более важной, чем его дальнейшее использование в качестве обычного нанолазера, поскольку открывает дорогу для разработки нового поколения сверхбыстрой наноэлектроники.

С Михаилом Ногиновым солидарен и вдохновитель проекта Марк Стокман, который, судя по нескольким недавним интервью, пребывает в полном восторге от проделанной в США работы. «Спейзер — это самый маленький из возможных квантовый усилитель и генератор оптических полей на наноуровне, в теории его размеры можно уменьшить почти до одного нанометра. И благодаря тому что он работает почти в тысячу раз быстрее, чем самый быстрый из имеющихся на сегодня транзисторов, на его основе вскоре могут быть сконструированы сверхбыстрые усилители, логические элементы и микропроцессоры, на несколько порядков превосходящие по своей производительности традиционные кремниевые аналоги», — говорит ученый.

Однако чтобы спейзер и его последующие доработки смогли найти реальное применение в оптических компьютерах будущего, исследователям еще придется обойти немало подводных камней и рифов. В частности, им потребуется найти эффективные механизмы его «электрического сопряжения» с полупроводниками без использования внешней лазерной накачки. По крайне оптимистическим оценкам Марка Стокмана, первые гибридные устройства такого рода могут появиться уже в течение ближайшего года, но другие специалисты в данной области пока проявляют большую сдержанность.

Так, по мнению профессора Калифорнийского университета Риверсайда Сахрата Хизроева, несмотря на огромную значимость проделанной Шалаевым, Ногиновым и их коллегами работы, спейзеры, по всей видимости, найдут свое первое практическое применение не в качестве базовых элементов оптических компьютеров, а в производстве различных устройств магнитного накопления и хранения данных. «Магнитные носители, — говорит профессор, — использующиеся сегодня для жестких дисков, фактически уже достигли физических пределов своих возможностей, и одним из наиболее перспективных способов увеличения их эффективности как раз и может стать применение нанолазеров для сверхточечного нагревания этих носителей в процессе записи информации».

Неужели никто не вернется…

Комментируя для нашего журнала новую работу Шалаева и Ногинова со товарищи, заведующий сектором Научного центра лазерных материалов и технологий ИОФ РАН кандидат физико-математических наук Максим Дорошенко отметил: «Наиболее многообещающими мне представляются практические перспективы дальнейшего использования этих нанолазеров в качестве эффективных малоразмерных источников излучения, причем, по всей видимости, они могут быть внедрены в производство в течение весьма недалекого времени. И в этой связи приходится с сожалением признать, что в области создания новых полупроводниковых лазеров наша страна, увы, сильно отстает от Запада. Показателен, скажем, тот факт, что в России до сих пор даже не созданы качественные лазерные диоды, которые, по сути, уже относятся к технологиям предыдущего поколения».

Имена главных действующих лиц намечающейся на Западе нанотехнологической революции в очередной раз наводят на грустные размышления о положении дел в нашей науке и — шире — в нашей стране. Неоднократно уже приходилось говорить о пополнении рядов исследователей многочисленных западных университетов нашими молодыми и зрелыми талантами. То же и с представителями могучей советской лазерной школы, и с представителями других областей научной и технологической деятельности (см., например, «Прыжок русской лягушки» в № 10 «Эксперта» за 2007 год).

В этом году Инновационное бюро «Эксперт» запустило проект «Российская научно-технологическая диаспора: потенциал взаимодействия». Мы поставили перед собой задачу детально разобраться в затянувшемся процессе оттока из нашей страны лучших мозгов и понять, есть ли у России в обозримой перспективе хоть какие-то шансы и возможности, чтобы переломить этот крайне негативный тренд и найти действенные стимулы для более активного сотрудничества оставшихся и уехавших (о массовом возврате бывших соотечественников пока приходится лишь мечтать). На наше предложение поучаствовать в проекте откликнулись многие ученые, живущие здесь и там. Первые предварительные результаты показали, что затея имеет шансы на успех, и в ближайших выпусках нашего журнала мы планируем познакомить читателей с наиболее интересными выводами по данному исследованию.