http://93.174.130.82/digest/showdnews.aspx?id=4a3f8482-f187-4274-b206-1ff0d119018d&print=1© 2024 Российская академия наук
Они уже сегодня позволяют дополнять традиционные "электрические" технологии передачи информации такими, в которых используются свет, звук, вращение элементарных частиц и управление поведением электронов. Эффекты, достигаемые с их помощью, в состоянии произвести революцию в самых различных областях – от нефтегазодобычи до мобильной телефонии, от лечения опухолей - до хранения лекарств.
Об этом в интервью корр.ИТАР-ТАСС рассказывает заместитель директора по науке Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, член-корр. РАН Сергей Никитов.
- Давайте вспомним, что такое кристалл вообще. Этим термином стали обозначать упорядоченные системы со структурообразующими элементами различной природы и масштаба. Иными словами, атомы в них расположены регулярным образом. О кристаллической решётке металлов все слышали ещё со средней школы, но список материалов с такой структурой и областей их применения поистине огромен. Достаточно вспомнить, что привычная сейчас микроэлектроника рождалась на монокристаллах германия и кремния.
Но сегодня – в том числе и усилиями российских учёных - появились новые рукотворные материалы — так называемые фотонные, фононные и прочие кристаллы, среды с новыми необычными свойствами, аналогов которых зачастую в природе нет.
- Вы создали кристаллы из света и звука?
- Не совсем так. Просто если в обычных кристаллах электроны находятся в периодическом электрическом поле атомных остовов, то в фотонных в аналогичном смысле используются фотоны, т.е. кванты света.
А дальше давайте вспомним ещё одно свойство кристаллов — наличие так называемых разрешённых и запрещённых областей или зон для энергии перемещающихся в них электронов. В сущности, именно поэтому кристаллы могут быть проводниками, диэлектриками, полупроводниками, сверхпроводниками, наконец. Например, полупроводники, играющие первую скрипку в современной электронике, характеризуются наличием относительно небольшой, по сравнению с диэлектриками, запрещённой зоны между валентной зоной и зоной проводимости. Грубо говоря, это некий слой между зоной, наполненной электронами, и той, которую они стремятся заполнить. Электроны могут преодолеть этот барьер благодаря термическому или иного рода возбуждению, что позволяет управлять проводимостью таких тел в широких пределах.
А теперь представьте себе такие среды, в которых распространяющийся свет – по сути, та же электромагнитная волна - и, следовательно, фотоны будут вести себя подобно электронам в кристаллах реальных. У них тоже будут разрешённые или запрещённые энергетические состояния. В данном случае в их роли будут выступать вещества, обладающие теми или иными оптическими характеристиками. Например, показателем преломления.
Для этого и нужно уметь синтезировать кристаллы с наперёд заданными характеристиками. И уже создаются двух- и трёхмерные фотонные кристаллы, где световые волны распространяются в двух и трёх измерениях за счёт периодического изменения коэффициента преломления. Более того, возможно создание таких устройств, из которых свет, когда его излучит источник, который находится внутри, наружу не выйдет.
- А в чём смысл тогда?
- Всё это может оказаться чрезвычайно интересным с точки зрения разнообразных применений. Подобно реальным кристаллам, фотонные кристаллы по наличию и характеристикам запрещённой зоны для фотонов делятся на оптические проводники, полупроводники, изоляторы и сверхпроводники.
Аналогия продлевается и дальше: так, в фотонных кристаллах тоже бывают «примеси», называемые "дефектами". Это означает включение материала с другим показателем преломления. Оно приводит к тому, что свет с частотами, соответствующими запрещённой зоне, может быть захвачен таким "дефектом". В результате «непроходная» по своим параметрам волна все же пройдёт сквозь кристалл.
Поэтому подобные устройства представляются необходимыми элементами будущих фотонно-электрических либо чисто фотонных микро- и наносхем. С их помощью становится возможным создание оптического компьютера, в котором и процессор, и жёсткий диск сделаны на основе фотонных кристаллов, а роль информационных битов (0 или 1) будут играть области с разным показателем преломления.
Далее: можно получать также оптоволокно с любой структурой, задающей распространение излучения в нём с наперёд заданными свойствами. В таких фотонно-кристаллических волокнах существенно более эффективно можно управлять распространением света. А так как в сердцевине таких волокон можно концентрировать световое излучение большой интенсивности, они весьма перспективны для нелинейных приложений, в частности для создания волоконно-оптических лазеров и усилителей.
Другая возможность применения таких волокон – это создание фотонных элементов с управлением поляризационными свойствами света. Такие элементы являются неотъемлемой частью датчиков разных физических величин - в частности, датчиков электрического тока и напряжения, температуры, газовых составов и так далее. Более того: в настоящее время, из всех фотонных кристаллов, фотонно-кристаллические волокна уже широко применяются.
Необходимо отметить, что в России в нескольких учреждениях Российской академии наук проводятся широкомасштабные научные исследования таких «экзотических» оптических волокон. От фундаментальных исследований мы продвинулись далеко вперёд, создавая датчики электрического тока и напряжения, температуры, давления и т.д. и целые системы мониторинга в области газо- и нефтедобычи и многие другие.
- Да, но акустический кристалл? С фотоном понятно – в общем, частица, как и электрон. В одних средах проходит, в других – не очень, в третьих для него всё прозрачно. Но звук? Как можно создать кристалл из звуковых колебаний?
- А что такое звук? Это, просто говоря, волны плотности вещества в среде. То есть на свойства тел влияет взаимное смещение атомов друг относительно друга. Коллективные смещения приводят к образованию упругих волн в твёрдых телах. Соответственно, если длина звуковой волны в твёрдом теле сравнивается с периодом упругой системы кристалла – то есть межатомным расстоянием, - в таком кристалле могут возникнуть эффекты, аналогичные рассмотренным для фотонных кристаллов. В частности, появятся запрещённые зоны для акустических волн.
Роль периодически расположенных элементов в них играют объёмы вещества с заданными упругими параметрами. Простейший вариант — организация в материале соответствующим образом расположенных пустот.
По аналогии с фотонами квазичастицы акустических волн называются фононами.
Учитывая, что фононные структуры могут создаваться, в частности, в кремнии, такие структуры можно легко интегрировать в полупроводниковые интегральные схемы, тем самым создавая новые типы интегральных устройств. Фононные кристаллы другого типа можно создавать в кварцевом оптическом волокне. При этом в нём возможно одновременно возбуждать и свет, и ультразвук, так что такое волокно одновременно будет и фотонным, и фононным кристаллом. Изменяя частоту одной из волн, можно добиться существенного преобразования другой волны при её рассеянии на первой волне, и наоборот.
Уже сегодня устройства, создаваемые на основе фононных кристаллов - в частности, фильтры СВЧ-сигналов - абсолютно неотъемлемые элементы мобильных телефонов, FM-радиприёмников и многих других приборов.
И вновь необходимо отметить, что российские ученые в этой области всегда занимали лидирующие места в мировой науке.
Есть и другие виды кристаллов нового поколения.
- Например?
- Ну вот, скажем, для электромагнитных волн СВЧ-диапазона фотонные кристаллы оказываются достаточно велики – несколько сантиметров или даже десятков сантиметров. Потому в этом частотном диапазоне гораздо предпочтительнее использовать магнитостатические спиновые волны. Или соответствующие акустические волны в фононных кристаллах.
- Спин – это собственный момент импульса элементарных частиц, их внутренняя характеристика. Как это может быть воплощено в кристалле?
- Берётся ферромагнетик. Это вещество, которое обладает намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля, - до определённой температуры нагрева, конечно. Это некоторые металлы, начиная от железа, многие сплавы. Так вот, при изменении магнитного поля их магнитная система возбуждается. Соответственно, возникает так называемый макроскопический магнитный момент ферромагнетика. Волны при возбуждении магнитной системы возмущением магнитного поля и называются магнитостатическими спиновыми волнами (МСВ).
Так вот: при возбуждении МСВ внешней электромагнитной волной (например, сопровождающей переменный ток) СВЧ-диапазона можно добиться задержки сигнала в несколько микросекунд. Современная аппаратура позволяет за это время сделать любую желаемую обработку сигнала или волны.
Нами, пожалуй, впервые, были предложены для исследования такие структуры, которые мы назвали по аналогии с фотонными кристаллами – магнонными кристаллами.
В настоящее время свойства магнонных кристаллов исследованы достаточно подробно. Более того, уже созданы реальные устройства на их основе — фильтры электромагнитного излучения, работающие в популярном диапазоне частот от 1 до 20 ГГц. Этот СВЧ-диапазон чрезвычайно важен и для мобильных беспроводных телекоммуникационных сетей, и для цифрового телевидения, и для радиолокации, и для многих других применений. На основе таких кристаллов возможно создание не только отдельных устройств, но и логических цепей и целых магнонных интегральных схем.
Наконец, кристаллы нового поколения могут и уже используются в биологии и медицине. Речь идёт, к примеру, о различных применениях металлических наночастиц, прежде всего золотых.
Интерес к ним обусловлен особыми свойствами, которые делают их перспективными объектами современной нанотехнологии в целом и нанобиотехнологии в частности.
Во-первых, золотые наночастицы обладают уникальными оптическими (электромагнитными) свойствами, обусловленными так называемым плазмонным резонансом. Он связан с коллективным поведением электронов проводимости в наночастицах благородных металлов. Это означает, что на определённых частотах или длинах волн падающего света наночастицы поглощают и рассеивают свет во много раз более интенсивно, чем вне области резонанса.
Во-вторых, золото является химически инертным и биосовместимым материалом, что позволяет использовать золотые наночастицы для различных биомедицинских применений.
Наконец, поверхность золотых наночастиц легко модифицируется различными молекулами, которые могут радикально изменить их физические (например, заряд), химические (например, растворимость в воде) и биологические (например, способность проникать в живые клетки) свойства. По аналогии с предыдущими разделами можно говорить о возможности создания плазмонных кристаллов.
- Они тоже уже существуют на практике?
- В России работы ведутся по всем указанным направлением. В частности, синтезируются золотые наносферы (диаметр 3-100 нм), наностержни (диаметр 10-20 нм, длина 30-100 нм), золотые наностержни на ядрах из двуокиси кремния (диаметр ядра 50-150 нм, толщина оболочки 10-30 нм). Реализованы технологии получения новых классов композитных частиц: золотых наностержней с серебряным нанопокрытием и золото-серебряных наноклеток, получаемых на шаблонах из серебряных нанокубиков.
- Но для чего всё это нужно – конкретно?
- Для практического применения важно то, что плазмонный резонанс указанных наночастиц может быть контролируемым образом настроен в нужный диапазон электромагнитного или оптического спектра. Например, в окно прозрачности биотканей. По сути, позволяет заглянуть в любые их глубины, что имеет принципиальное значение для применений в биомедицине.
Важным является развитие принципов получения многофункциональных композитных наноматериалов для биомедицинской тераностики, комбинирующих диагностические и терапевтические свойства в одной наноструктуре. В частности, впервые получены нанокомпозиты, состоящие из золото-серебряных наноклеток (резонанс на 800 нм), покрытых мезопористой оболочкой из двуокиси кремния, содержащей фотодинамические флуоресцентные красители. Подобные нанокомпозиты способны генерировать тепло при облучении на длине волны плазмонного резонанса, флуоресцировать при облучении УФ-светом и генерировать кислород при облучении светом 630 нм.
Одно из возможных применений полученных наноматериалов – фототермальная терапия опухолей с помощью лазерного излучения и наночастиц, накапливаемых в биологической мишени.
Эти виды кристаллов могут применяться и в сугубо прикладных целях – например, при решении проблемы долговечности лекарственных веществ. Например, одна из проблем применения наночастиц в лабораторной или клинической практике заключается в том, что обычно они синтезируются и поставляются производителем в виде жидких суспензий (коллоидов). Со временем такие образцы часто теряют стабильность или становятся нестерильными и не пригодными для биомедицинских применений. Совсем недавно нашим ученым удалось решить эту проблему. Мы получили новый тип наноматериалов, которые были названы плазмонными нанопорошками. И они свободны от указанных недостатков.
Таким образом, мы, решая сложные фундаментальные задачи, активно сотрудничаем с предприятиями и надеемся, что в ближайшее время совместными усилиями многие наши разработки будут использоваться в высокотехнологичной промышленности.