Байки из лабы: наноплазмоника для сенсоров и квантового компьютера

Руководитель группы разработки фотонных устройств Александр Бабурин расскажет об уникальных исследованиях нанофотоники и квантовой плазмоники — относительно молодых научных направлений, изучающих работу устройств для управления фотонами и колебаниями проводящих электронов в металл-диэлектрических наноструктурах. Они могут применяться в самых разных областях: от сенсоров до квантовых вычислений и коммуникаций.

Название «наноплазмоника» происходит от «плазмона» — электромагнитной волны, распространяющейся вдоль границы хорошо проводящего ток металла и плохо проводящего диэлектрика. Это, можно сказать, кентавр: верхняя его часть в диэлектрике представляет собой электромагнитную волну, а нижняя — волну плотности в электронной плазме металла. Примечательно, что амплитуда колебания плазмона экспоненциально уменьшается по мере отдаления от поверхности раздела двух сред, то есть энергия такой волны сосредоточена в очень узкой области, которая может оказаться меньше длины волны возбуждающего внешнего излучения (света или электромагнитного поля). Кроме того, скорость распространения таких колебаний при определенных условиях оказывается всего на порядок ниже скорости света.

Наноструктурирование металлической поверхности необходимо по двум причинам. С одной стороны, так можно изменить электромагнитное возбуждение в материале, а затем подстроить внешнее поле под частоту плазмона, в результате чего возникнет плазмонный резонанс, приводящий к усилению поля и еще большему фокусированию излучения. С другой стороны, от структуры зависит, как материал взаимодействует со светом или с другими системами, например элементами квантовых компьютеров. И это можно использовать в подавляющем большинстве направлений современных областей науки и техники, начиная с изучения фундаментальных основ еще не открытой физики до практических применений, включающих создание маркеров, используемых для расшифровки генома человека, изготовление материалов с отрицательным показателем преломления, существенное улучшение эффективности фотодетекторов и излучателей, управление жидкокристаллическим и магнитооптическим слоями, модуляцию излучения терагерцового диапазона и многое другое.

— Расскажите, пожалуйста, с чего началась ваша работа и чем занимается группа разработки фотонных устройств?

— Илья Анатольевич (Родионов, директор НОЦ ФМН — Indicator.Ru) и его команда посетили различные лаборатории Европы, Америки, Азии для поиска лучших решений, которые были впоследствии реализованы в нашем центре. К моему приходу в 2014 году уже были разработаны базовые маршруты изготовления устройств и закуплена часть оборудования. Первым крупным реализованным проектом центра был масштабный российский проект по изготовлению семейства фотонных устройств на основе принципов наноплазмоники — одного из трендов начала последнего десятилетия. Их работа основана на очень интересном явлении, когда свет может фокусироваться в структурах меньше его длины волны за счет плазмонного резонанса. Потенциально такие устройства могут быть использованы для изготовления ключевых элементов новой электроники (того, что придет ей на смену — Indicator.Ru), эти работы сейчас активно продолжаются и внедряются в перспективных приборах и детекторах нового поколения. Все основные идеи, заложенные в том проекте, были воплощены, а главное, как мне кажется, была разработана уникальная технология изготовления почти идеальных пленок металлов, которые вывели на принципиально новый уровень решение основной проблемы плазмоники — потери.

Речь идет об эпитаксиальных материалах. По сути, эпитаксия — это идеальное повторение структуры вещества, когда один атом четко выстраивается за другим, образую идеальную кристаллическую решетку. Серебро считается лучшим материалом благодаря своим электрическим и оптическим характеристикам, однако оно очень капризное. Металл обладает высокой реакционной способностью: вспомните, украшения со временем темнеют, окисляясь и сорбируя на поверхности газы из атмосферы. То же самое происходит и при создании наноразмерных устройств. Для осаждения пленки серебра необходима очень чистая среда и вакуум, но все равно всегда есть мельчайшие частички и остаточные газы, мешающие формированию тонкого слоя идеального качества. Кроме того, серебро обладает сильным поверхностным натяжением, и эта энергия заставляет материал собираться в капли, что препятствует созданию сплошной пленки. Ее формирование при стандартных подходах возможно лишь с большой толщины. Но такие толстые пленки уже не подходят для изготовления плазмонных устройств.

Задача синтеза идеальной плазмонной серебряной пленки не была решена в мире в тот момент. Мы приняли этот вызов и после огромного объема работы и тщательного анализа полученных данных создали подходящий материал. Всего провели более 300 экспериментов, изготовили и проанализировали более 3000 образцов. Пленку удалось сформировать за счет уникального подхода, который в мире раньше не пробовали. Это многостадийный процесс, когда мы варьируем температуру в процессе осаждения для компенсации негативного влияния высокой поверхностной энергии серебра при росте пленки. Снятие напряжений на стадии еще не сплошной островковой пленки позволяет перевести рост из вертикального направления в латеральное и сформировать сплошной слой при предельно малых толщинах.

— Как именно происходит осаждение?

— Это как раз моя специальность, то, чему я учился, — в том числе поэтому меня позвали в проект. Я начал заниматься технологиями осаждения еще на своей кафедре, а переход на работу в НОЦ ФМН многократно расширил возможности проведения моих экспериментов и исследования свойств формируемых покрытий. Конкретно для изготовления пленок серебра с атомарной шероховатостью и идеальной монокристаллической структурой мы применяли установку электронно-лучевого испарения в вакууме. В охлаждаемую емкость — тигель — помещается материал, он нагревается и испаряется при помощи прецизионно сфокусированного электронного луча. Испаренный материал оседает на поверхность расположенной сверху подложки.

Этот подход необычен для изготовления пленок совершенной структуры, поскольку изначально для подобных целей создавались машины совершенно другого уровня, намного дороже. Это установки молекулярно-лучевой эпитаксии. Принцип их работы близок, однако они используют заметно более низкие скорости осаждения и высокий вакуум, а на одном приборе работать можно только с одним материалом. Метод электронно-лучевого испарения имеет худшие параметры по вакууму и, соответственно, потенциальной чистоте формируемого материала. Уникальность разработанного нами процесса позволяет не только создавать почти идеальные плазмонные пленки металлов, но и делать это с применением методов и оборудования массового производства. А это гораздо более ценный результат, чем просто лабораторная технология, хотя бы и неповторимая. Благодаря нашей технологии мы создали ряд уникальных устройств — принципы их работы отражены в лучших мировых журналах первого квартиля.

— Какие, например?

— Это и ряд сенсоров газов, жидкостей и биологических объектов, в том числе обладающие рекордной чувствительностью, и нанолазер с прецизионно направленным излучением, узким спектральным диапазоном и стабильной генерацией. Также разработаны наноразмерные волноводы — аналоги проводов в микроэлектронике, по которым распространяются сигналы. Эффекты плазмонного резонанса позволяют формировать их с размерами меньше длины световой волны, что в перспективе может позволить изготавливать устройства со сверхвысокой плотностью упаковки и состыковать фотонику с обычной электроникой. Представьте: у вас фотонный провод, который работает как оптоволокно, но обладает меньшим размером, порядка единиц микрометров. А характерные структуры современных чипов уже имеют размеры 3–7 нанометров, что примерно в 1000 раз меньше. Чтобы совместить эти размеры и состыковать их друг с другом, можно использовать плазмонную прослойку, она работает со светом, но также имеет наноразмеры. Плазмонный волновод, разработанный с использованием наших технологий, обладает рекордной длиной распространения сигнала.

Кроме того, среди основных достижений по этому направлению можно выделить однофотонный источник, созданный совместно с группой профессора Шалаева из Университета Пердью. Его группа является ведущей в мире, а он сам один из «законодателей мод» и создателей наноплазмоники. В основе работы источника лежит наноалмаз — наночастица с дефектной электронной структурой, генерирующая слабый однофотонный сигнал. Он быстро затухнет без усилителя — резонатора. Известно, что лучшими наноразмерными резонаторами являются плазмонные структуры.

Коллеги из Университета Пердью пытались создать резонаторы на основе различных материалов, создаваемых европейскими и американскими группами. Однако только наши эпитаксиальные серебряные пленки обеспечили требуемую скорость генерации, которую предсказывали коллеги. И все благодаря малым потерям в пленке, позволившим изготовить высокодобротные плазмонные резонаторы. Так нам вместе удалось действительно продемонстрировать эффект, который был теоретически заложен в это устройство. Изготовленный на их основе однофотонный источник с применением плазмонных антенн является самым ярким среди устройств подобного рода, о которых есть публикации.

— Ваши разработки пока что на уровне лабораторных исследований или уже пошли в производство? Какие перспективы?

— Среди сенсоров есть предпромышленные прототипы. Такие устройства на основе плазмоники позволяют получать очень четкий сигнал, что особенно важно для детекции газов, взрывчатых веществ. Помимо этого мы делали структурированные серебряные пленки для исследования биологических объектов (ГКР-сенсоры): белков, вирусов, бактерий. Результаты получились самые достойные.

В настоящий момент перед нами стоит очень амбициозная задача — создание первых в мире интегральных квантовых оптических схем — базы для будущего квантового процессора и квантовых вычислений. Для этого мы продолжаем работу над изготовлением интегрированных однофотонных источников и фотонных элементов с минимальными потерями — сегодня это ключевые задачи ведущих научных лабораторий. Связано это с тем, что в квантовых схемах сигнал передается на основе одиночных фотонов и потеря даже одного из них может привести к ошибке в вычислениях и передаче данных. Разрабатываемые нами технологии уже позволили приблизиться к ведущим мировым результатам — нам есть чем гордиться! В этом году ждем ряд уникальных установок, которые позволят продвинуться в области создания квантовых устройств и их измерений. Верю, что наши идеи и технологии позволят российским разработкам войти в число лидеров данного направления.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.