Учёные Крымского федерального университета им. В. И. Вернадского проводят исследование, направленное на изучение плазмон-поляритонов в металл-диэлектрических наноразмерных элементах и структурах. Подробнее о проекте рассказывает старший научный сотрудник Научно-исследовательского центра функциональных материалов и нанотехнологий Татьяна Михайлова.

Проект реализуется при поддержке Российского научного фонда.

В чём суть Вашего проекта?

— Проект ориентирован на создание и исследование различных объектов, размер которых находится в нанометровом диапазоне – в тысячу раз меньше, чем диаметр человеческого волоса. Эти нанообъекты могут быть изолированными частицами, массивами частиц, многослойными системами, частицами в оболочке… Но обязательным элементом в этой системе является металл. Выбираются такие известные металлы, как золото, серебро, медь, поскольку они проявляют плазмонные свойства. Плазмонные свойства – это возникновение колебаний электронов проводимости внутри этих металлических частиц под действием электромагнитного излучения. А электромагнитное излучение – это обычные световые волны, с которыми мы каждый день встречаемся (например, экран телевизора, оптоволоконные линии связи). Именно под действием световых волн внутри металлов возникают колебания электронов проводимости. И мы занимаемся исследованием того, как ведут себя эти колебания в таких системах.

Если продлить логическую цепочку, то колебания электронов проводимости и электронная волна могут быть связаны и фактически представлять собой волновой процесс. Комбинируя различные объекты (наноэлементы), мы можем построить что-то похожее на электронную цепь, в которой есть источники возбуждения, источники возникновения волн и пути, по которым они распространяются. Эти волны называются плазмон-поляритонами. А чем хороши схемы на плазмон-поляритонах? Тем, что они будут работать гораздо быстрее, чем существующие электронные схемы.

Дополнительно мы исследуем спектры коэффициента пропускания и магнитооптического вращения объектов, то есть то, как магнетизм преобразует оптические свойства.

Какие именно работы Вы проводите?

— Впервые мы выиграли грант Российского научного фонда на реализацию этого проекта в 2019 году. У нас есть партнёр – центр коллективного пользования «Физика и технология микро- и наноструктур» в Нижнем Новгороде. Наша задача заключается в создании моделей, исследовании свойств структур, а наш партнёр помогает нам создать такие структуры. Мы успешно завершили этот проект, и в 2022 году подали заявку на продление, в результате чего выиграли грант ещё на три года (2023–2025 гг.).

Данное исследование является комплексным. Допустим, мы создали какую-то модель из этих нанообъектов, затем мы согласовываем разработанное техническое задание с партнёром, и уже в Нижнем Новгороде с использованием литографических приставок создаётся структура, которая направляется нам, и мы здесь исследуем её свойства. Такая процедура проводится ежегодно. Мы уже создали модели вентилей, полевых транзисторов, основанные на «канавках» в плазмонном металлическом слое. По результатам исследований нашим коллективом опубликованы научные статьи и даже монография.

Насколько уникально данное исследование?

— Мы являемся единственным коллективом, который изготавливает магнито-плазмонные структуры, позволяющие комбинировать свойства металлов и плёнок феррит-гранатов, которые давно выращивают в Крымском федеральном университете. Эти плёнки знамениты тем, что являются магнитными, а их оптические свойства изменяются под действием магнитных полей. Комбинируя металлы и наши диэлектрические магнитные плёнки, мы можем добиваться новых результатов, новых эффектов, например, усиления магнитооптических эффектов. Это тоже является одним из важных результатов, который мы получили в течение этих 4–5 лет.

Мы планируем разрабатывать магнито-плазмонные структуры на основе метаповерхностей, фотонных кристаллов с различной структурой металлического слоя, в том числе, с апериодическими решётками, логические плазмонные элементы. Несмотря на то, что мы занимаемся этим уже много лет, наша работа пока находится на начальном этапе. Это связано с тем, что изготовление структур является достаточно сложным, и проходит в несколько стадий. Кроме того, мы работаем со структурами различного назначения.

Где могут применяться данные структуры?

— Магнито-плазмонные структуры нужны для сенсорики, например, для измерения изменений показателя преломления среды (жидкости или газа). Они нужны в качестве модуляторов для оптоволоконных линий связи, в плазмонной схемотехнике. Данные наноэлементы – это фактически компоненты устройств новой оптоэлектроники и интегральной фотоники, которые могут быть использованы в телекоммуникациях и сенсорике.

На самом деле это – схемотехника будущего, поскольку происходит замена электронных компонентов компонентами, работающими на плазмон-поляритонах. И эта замена удачна тем, что она обеспечивает более быстрое действие системы – скорость передачи и обработки данных увеличивается на 3-4 порядка.

Возможно, они востребованы уже сейчас. Например, для квантовых компьютеров необходимы элементы, которые сочетают в себе оптические и электронные свойства. В данном случае плазмон-поляритоны сами по себе являются уникальными, поскольку они могут обеспечить переход от электронной базы к оптической и наоборот.