Физика, химия, биология и информатика уже давно не существуют сами по себе, ведь научные прорывы совершаются сегодня именно на стыке наук. Одна из таких новых, междисциплинарных областей ― метафотоника. В будущем именно это направление способно перевернуть традиционные представления о наших оптических и электронных устройствах. Как именно? Разбираемся вместе с руководителем лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники и фронтирной лаборатории «Лазерные диоды на основе наноматериалов» ИТМО Сергеем Макаровым и сотрудником Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов Иваном Синевым.   

Иллюстрации: Дмитрий Лисовский, Юлия Грызлова, ITMO.NEWS

Что такое метафотоника?

Метафотоника ― это новая область, которая объединяет, с одной стороны, оптику, фотонику, физику твердого тела и, с другой стороны, науку о материалах и новые подходы к их синтезу и структурированию. Если говорить проще, то это наука на стыке физики и химии. И ее главная цель ― объединить усилия ученых из этих двух сфер для создания инновационных материалов и ― потенциально ― оптоэлектронных устройств нового поколения.

Причем тут химия?

И в химии, и в метафотонике используются одни и те же подходы, направленные на получение из уже известных элементов новых материалов с абсолютно новой функциональностью. Проще всего объяснить на примере с водой: она получается из соединения атома водорода и двух атомов кислорода, но по своим свойствам не имеет ничего общего ни с тем, ни с другим. Как в химии изучают сочетания атомов, так и в метафотоникк работают с метаатомами ― элементарными частицами или структурами из материалов, которые особенным образом взаимодействуют со светом. И точно так же, как химики при синтезе новых химических соединений, собирая из метаатомов «молекулы» (на самом деле ― решетки, кристаллы и метаповерхности), физики получают новые структуры с неожиданными свойствами.

«Химия ― это скорее про сами материалы, а метафотоника ― про их структурирование. Про то, как бы из материалов сделать частицы с нужными свойствами и по-особенному их упорядочить, чтобы получилось что-то интересное. Преимущество фотоники в том, что в ней размер частиц достаточно большой (порядка сотни нанометров), это не отдельные атомы, которые сложно контролировать независимо. Так что современные технологии позволяют частицы достаточно точно упорядочивать и позиционировать», ― рассказывает Иван Синев. 

Ещё одной очень важной связкой с химией направления метафотоники является то, что в ней стараются использовать химические методы синтеза. Это позволяет значительно упростить и удешевить производство фотонных наноструктур. И если раньше их создавали в основном с помощью физического осаждения материалов и литографии, для которых требуется отдельная лаборатория с дорогим оборудованием, то сейчас кристаллы тех же перовскитов буквально «выращивают» в пробирке. 

Что за материалы имеются в виду?

Все те материалы, с которыми уже несколько десятилетий работают физики-фотоники: кремний и аналогичные материалы с высоким показателем преломления, полимеры, перовскиты, дихалькогениды переходных металлов и так называемые материалы с фазовой памятью.

По порядку:

Частицы из кремния и других материалов с высоким показателем преломления  ― пожалуй, наиболее изученные и популярные. На самом деле существует множество вариаций частиц на основе таких материалов  с различным дизайном и разными оптическими свойствами. Главные из них ― это способность концентрировать и  направлять свет, что делает их особенно удобными для создания наноантенн и резонаторов.

Перовскиты ― немного более молодое направление. На самом деле под этим термином имеют в виду целый большой класс материалов с одинаковой кристаллической решеткой, но очень разными свойствами. Но самое интересное для физиков ― это то, что перовскиты умеют преобразовывать свет в электричество (и обратно тоже!). То есть если светить на перовскит светом, он начинает генерировать электричество, а если подавать электрическое напряжение на него ― он начинает светиться. Чаще всего перовскиты используются в создании солнечных батарей и светодиодов, но этим их функционал, конечно же, не ограничивается.

Дихалькогениды переходных металлов интересны тем, что кристаллы этих материалов, как и графен, расслаиваются на ультратонкие слои, в которых появляются очень интересные оптические эффекты. Например, в них можно получать экситоны – квазичастицы, которые состоят из отрицательно заряженного электрона, который «крутится» вокруг положительно заряженной «дырки» (электронной вакансии). Экситоны могут возбуждаться светом, а ещё они могут связываться с фотонами (такие гибридные частицы называются поляритонами) и служить для них своеобразным «рулем», обеспечивая их движение именно в том направлении, в каком нужно ученым. И эти свойства могут особенно пригодиться в будущей оптоэлектронике.

Материалы с фазовой памятью ― это сложные соединения на основе атомов халькогенидов (селена, серы, теллура) с полупроводниковыми свойствами. Одно из самых известных, германий-сурьма-теллур, которое используется в DVD дисках и самой современной флэш-памяти. Такие сплавы могут переходить из кристаллического состояния в аморфное при совсем небольшом нагреве – и оставаться в одном из этих состояний уже без дополнительного воздействия. На этом основан простой эффект памяти – можно переключаться между двумя состояниями, имеющими заметный контраст физических свойств - показателя преломления или проводимости.

Что с этим можно делать в метафотонике?

Зная конкретные свойства (и преимущества) каждого из этих материалов, ученые могут экспериментировать не только с геометрией фотонных структур, но и с различными сочетаниями материалов.

Например, перовскиты недостаточно эффективно поглощают солнечный свет вне видимого спектрального диапазона ― в частности, они не поглощают инфракрасное излучение. Но их можно соединить с конверсионными материалами, которые умеют преобразовывать инфракрасный свет в видимый.

Уникальные свойства материалов с фазовой памятью могут быть значительно расширены с использованием достижений фотоники - например, устройства памяти могут быть сделаны многоуровневыми.  В частности, оказывается, что в фотонных структурах с включениями из таких материалов становится возможным получение не только предельных случаев - полностью аморфного или полностью кристаллического состояния, но, и множества промежуточных состояний.

Еще один пример ― дихалькогениды переходных металлов. Объемные (трехмерные) кристаллы этих материалов не так уж интересны, а вот когда они становятся двумерными (то есть при их расслоении до слоя толщиной в один атом) они начинают излучать свет ― и если этот монослой интегрировать в фотонные периодические структуры, появляются очень интересные нелинейные эффекты. В частности, оказывается, что в ответ на изменение интенсивности облучения материала светом меняется длина волны, на которой он излучает сам.

А для чего, в конце концов, всё это нужно?

Сами физики напрямую связывают развитие метафотоники с технологиями будущего, причем самого широкого класса устройств. Это и суперэффективные солнечные батареи на основе перовскитов, и тонкопленочные технологии на основе легких и гибких материалов (в частности, тех самых атомарных слоев дихалькогенидов) для гибкой электроники, и устройства оптоэлектроники (в которых информация передается с помощью фотонов, которые по своей природе распространяются неизмеримо быстрее электронов), и новые запоминающие устройства с новым - многоуровневым - типом памяти, а еще ― датчики, сенсоры, биодетекторы, светодиоды и даже таргетная медицина для лечения опухолевых заболеваний.

Звучит здорово, но есть ли уже прототипы?

Да! Например, ученые Нового Физтеха придумывают все новые и новые модификации того же перовскита. Им уже удалось сделать кристаллы перовскита водоустойчивыми благодаря силикатной оболочке (то есть кристаллы сохраняют свои люминесцентные свойства даже внутри живого организма, что открывает широкие возможности для биоимиджинга, визуализации биологических процессов, таргетной медицины) и повысить их энергоэффективность за счет кремниевой пасты. А еще ― создать самый маленький лазер в мире, работающий в видимом диапазоне при комнатной температуре.

Также удачно проходят и эксперименты с материалами с фазовой памятью. Например, выяснилось, что структура на основе кремния и соединения с фазовой памятью германий-сурьмателлур  дает очень полезный эффект ― она может становиться прозрачной или отражающей в ИК-спектре (что не только расширяет возможности оптической памяти, но и делает ее эффективной в создании лидаров, устройств, сканирующих пространство с помощью излучения и приема отраженных объектами ИК-импульсов, а еще для создания очень маленьких оптических линз, например, для камер телефона).

А еще ученые активно изучают так называемые квантовые материалы ― те самые дихалькогениды переходных металлов. В частности им уже удалось придумать и апробировать оптические способы управления такими структурами, например, переключать их намагниченность лазерным импульсом или менять силу фотолюминесценции с помощью температуры.

Что дальше?

Метафотоника ― совсем новая область исследований, но невероятно перспективная. На платформе метафотоники ученые не только используют уже известные свойства материалов и их комбинаций, но и совершают неожиданные открытия. Ведь, как выясняется, оптические свойства различных материалов могут меняться кардинальным образом ― в зависимости от дизайна их структурирования, размерности, геометрии решетки или кристалла, расположения в нем частиц, симметрии, фазового состояния, интенсивности облучения, температуры и еще множества других факторов. По сути это целая огромная песочница, в которой ученым предстоит откопать ещё много всего интересного.

«Метафотоника становится все более междисциплинарной, исследователи начинают все больше использовать новые материалы, которые применяются в физике полупроводников, светодиодах, фотовольтаике, лазерных технологиях. И оказывается, что платформа метафотоники может быть полезной для самого широкого класса применений. Главный вопрос: что дальше? Мы видим, что область метафотоники сейчас очень бурно развивается, и в будущем будет вовлекать все больше и больше новых материалов, а также новых их комбинаций», ― говорит Сергей Макаров.

Разбор подготовлен на основе обзорной статьи в Chemical Reviews, подготовленной коллективом авторов из ИТМО и Австралийского национального университета. Chemical Reviews издается Американским химическим обществом и считается одним из наиболее престижных журналов, публикующих обзорные статьи по всем аспектам химии, его импакт-фактор равен 60 (этот показатель, характеризующий, как часто другие ученые цитируют статьи из журнала у Chemical Reviews один из самых высоких в мире ― прим.ред.). В статье подробно описаны материалы, потенциально применимые и уже активно используемые в метафотонике, а также основные подходы к их синтезу и возможные сферы применения новых устройств на их основе.

Екатерина Шевырёва

Журналист