Нанотехнологии на слуху уже более 15 лет. А вот о нанофотонике знают немногие — это совсем новое междисциплинарное направление на стыке оптики, лазерной физики, материаловедения, физической химии, физики и химии твердого тела, наноструктур и нанотехнологий. Что изучает эта наука и где применяются ее исследования ― разбираемся вместе с аспирантами  Иваном Тофтулом и Георгием Зографом.

По пунктам:

Что изучает нанофотоника?

Все, что связано с управлением светом на крайне малых масштабах. В ее названии заложены два слова: «нано» и «фотон». Первое — это стандартная приставка, которая означает одну миллиардную. К примеру, если мы вдруг уменьшились до роста в один нанометр, то лист бумаги нам бы казался толщиной в 1700 км. Второе слово — фотон — элементарная «частица» света. Слово «частица» в кавычках не зря, ведь когда мы опускаемся до масштабов нанометров, то видимый свет уже отчетливо начинает проявлять свою волновую природу. Оказывается, на таких масштабах возможно управлять светом совершенно нетривиальным — по сравнению с обычной лучевой оптикой — образом, создавая сложные наноразмерные структуры. Нанофотоника занимается широким кругом проблем, связанных с подобным управлением и использованием света. Сюда также входит, например, создание наноразмерных лазеров: недавно вышла  сотрудников физико-технического факультета про самый маленький лазер.

Какие инструменты и методы используются в исследованиях?

Экспериментальные методы в нанофотонике бывают разными. Часто концепты, изначально придуманные для наноразмерных масштабов, проверяются в микроволновой лаборатории. Дело в том, что все изучаемые явления в нанофотонике чаще всего укладываются в стандартную электромагнитную теорию, а явления электромагнетизма имеют одно замечательное свойство — результаты легко масштабируются. Поэтому экспериментальные установки делать значительно проще. Разумеется, есть множество исключений, когда подобное масштабирование не применимо — для этого используется оптическая лаборатория, где точность в экспериментах уже нанометровая. Как правило, такая лаборатория оборудована специальным оптическим столом, который гасит все паразитические микроколебания, например, от проезжающих машин или трамваев на соседней улице. На сам стол устанавливают лазеры, прецизионную оптику, тестовые образцы и все необходимое для проведение эксперимента.

О нанофотонике стали много говорить в последние годы. Это совсем новая область?

Бурное развитие нанофотоники связано с технологических прогрессом, а реальные экспериментальные оптические исследования с одиночными нанообъектами проводятся в последние несколько десятков лет. Однако самые известные примеры использования наночастиц для управления свойствами света были предложены стеклодувами в Древнем Риме. Яркий пример — Чаша Ликурга, которая меняет свой цвет в зависимости от расположения источника света. Похожими технологиями обладали и мастера витражей в Средние века, которые опытным путем определили, что, добавляя продукты химических реакций золота и других соединений, можно добиваться ярких и насыщенных цветов. Впоследствии, уже в 20 и 21 веках на электронных микроскопах ученые увидели вкрапления наночастиц золота размерами до 100 нм в таких витражах, за счет чего и достигался такой красивый эффект.

Где применяются разработки нанофотоники?

Что касается современных коммерческих приложений нанофотоники, то это так называемые  для экспресс-тестирования биологических маркеров, которые работают за счет значительного — на 5-10 порядков — усиления уникальных откликов сигнала комбинационного рассеяния от биологических и химических соединений. Кроме того, использование наноструктурированных и наноразмерных полупроводниковых материалов позволило значительно повысить эффективность , которые используются для преобразования энергии солнечного излучения в электрических ток.

А в медицине?

Тоже. В лечении онкологических заболеваний сейчас активно используется фототермическая терапия. Это вид медицинского неинвазивного вмешательства, при котором специально созданные и внедренные наночастицы-мишени достигают области воздействия, а затем остро сфокусированный источник света воздействует на эти мишени — таким образом, за счет преобразования световой энергии в тепловую разрушаются злокачественные образования.

Как создаются новые материалы, приборы и устройства на основе нанофотоники?

Все идет от задачи, то есть от потребности и направленности проекта. У каждого из ученых в команде лаборатории есть опыт в тех или иных областях науки: в оптике, физике твердого тела, химии, технологии и так далее. Когда перед учеными возникает задача создать тот или иной «прибор» или «устройство», то они сперва проводят брейншторм, в котором каждый выступает со своей экспертизой. Далее вырабатывается план работы. А по итогу сверяются ожидания и результат — и в 99% случаях они совершенно не совпадают. Часто обнаруживается гораздо более сильный и важный эффект, нежели тот, что был спрогнозирован в самом начале. Научный процесс — очень подвижный и непредсказуемый, особенно когда речь заходит о создании чего-то нового.

Фотонные наноустройства могут изменить будущее человечества?

Да. В качестве примера можно привести металинзу. Те, кто занимается фотографией, знают, что хорошая светосильная оптика — это всегда очень много стекла. К тому же, у всех есть телефон с камерой, и почти у всех камера выпирает из корпуса. Металинза, в свою очередь, в перспективе может стать чрезвычайно тонким оптическим элементом. Более того, уже существуют концепты создания голографических металинз. Возможно, 3D-проектор робота R2D2 из мира Звездных Войн в скором времени уже не будет такой уж фантастикой.

Журналист Екатерина Шевырёва

Иллюстрации: Дмитрий Лисовский, Юлия Грызлова, ITMO.NEWS