Иногда самый слабый свет — самый важный. Например, когда нужно «увидеть» невидимое инфракрасное излучение, уловить едва заметный сигнал или разглядеть мельчайшие детали в медицинских исследованиях. Учёные из ДВФУ и их коллеги из других научных центров придумали, как заставить крошечные световые сигналы звучать громче — в буквальном смысле: они усилили оптический сигнал в 100 тысяч раз.
Тоньше волоса, но мощнее линзы
Речь идёт о метаповерхностях — ультратонких слоях с микроскопическими структурами. Они в тысячи раз тоньше человеческого волоса, но умеют делать то, что раньше могли только громоздкие оптические приборы: фокусировать, преломлять и усиливать свет. Раньше такие структуры создавали с помощью сложной и дорогой литографии — процесса, похожего на производство микросхем. Это долго, трудоёмко и не всегда удобно для массового применения.
Теперь появился более простой и доступный способ — лазерная печать. В проекте участвовали учёные ДВФУ, ИАПУ ДВО РАН, Университета ИТМО, а также университетов Гонконга. Результаты опубликованы в журнале Light: Science & Applications.
Как это работает: аккуратная «лепка» светом
Секрет в фемтосекундном лазере — он посылает сверхкороткие импульсы света. Но вместо того чтобы выжигать материал, лазер очень деликатно деформирует тонкую золотую плёнку, создавая на ней множество крошечных «бугорков». Если расположить их правильно, они превращаются в готовую метаповерхность, которая ловит и усиливает инфракрасное излучение.
«Создание лазерного метода печати метаповерхностей, поддерживающих связанные состояния в континууме, является важным шагом на пути внедрения таких устройств в различные технологические области, включая ИК‑сенсорику и оптоэлектронику», — поясняет Александр Кучмижак, кандидат физико‑математических наук, доцент Базовой кафедры фотоники и цифровых лазерных технологий Политехнического института ДВФУ и ИАПУ ДВО РАН.
А дальше вступает в игру изящный физический эффект — так называемые «связанные состояния в континууме». Представьте, что свет попадает в невидимую ловушку на поверхности наноструктуры и начинает многократно отражаться внутри неё, всё сильнее концентрируясь в одной точке. Именно это и даёт колоссальное усиление сигнала — в сотни тысяч раз.
В эксперименте золотая метаповерхность усилила нелинейный сигнал примерно в 100 000 раз по сравнению с обычной гладкой плёнкой. При этом учёные могут «настраивать» устройство: меняя размер бугорков и расстояние между ними, они подбирают нужный диапазон длин волн — от 1,3 до 8 микрометров. Это покрывает широкую часть инфракрасного спектра.
Испытание на реальном устройстве
Чтобы доказать, что технология работает не только в теории, исследователи напечатали метаповерхность прямо на электродах полевого транзистора — одного из базовых элементов современной электроники. В качестве активного слоя использовали квантовые точки теллурида ртути — полупроводниковые наночастицы.
Получился гибридный фотодетектор, который показал заметно более высокий фототок по сравнению с аналогичным устройством без наноструктур. А при охлаждении до −73 °C прибор достиг рекордной чувствительности — 8,7 × 10¹¹ Джонс. Это лучший результат среди подобных устройств на квантовых точках.
Зачем это нужно: не просто наука, а реальные возможности
Такая технология открывает дорогу к созданию компактных и очень чувствительных инфракрасных сенсоров, оптических чипов и детекторов излучения. Их можно будет использовать:
- В медицине — для более точной диагностики, в том числе для анализа тканей и выявления патологий по спектрам излучения.
- В системах безопасности — чтобы видеть в темноте, распознавать объекты и отслеживать движение даже при слабом ИК‑свете.
- В промышленности — для контроля качества, дистанционного измерения температуры и анализа состава материалов.
- В науке — для исследований в области спектроскопии, астрономии и физики материалов.
Ещё одно важное преимущество — возможность создавать фотодетекторы прямо на уже существующих элементах электроники. Это сильно упрощает интеграцию новых устройств в привычные приборы и системы.