Нанопалитра

Крылья бабочек и перья в хвосте павлина обязаны своим чистым и ярким цветом фотонным кристаллам. В последние годы потрачено немало усилий, чтобы научиться копировать эти краски природы. Теперь, похоже, дело сдвинулось с мёртвой точки.

Крылья бабочек и перья в хвосте павлина обязаны своим чистым и ярким цветом фотонным кристаллам. Эти периодические наноструктуры, в отличие от обычных пигментов, эффективно отражают свет в узких спектральных полосах. В последние годы потрачено немало усилий, чтобы научиться копировать эти краски природы. Доходило до того, что учёные вооружались сачком и ловили бабочек, а затем делали оттиски с их крыльев для печати фотонных кристаллов. Но до сих пор все известные технологии были слишком дороги и плохо приспособлены к массовому производству.

Теперь, похоже, дело сдвинулось с мёртвой точки: любопытный способ печати фотонных кристаллов предложили сотрудники Сеульского национального университета. В работе используются специальные одноцветные чернила, состоящие из фоточувствительной резины, магнитных частиц Fe3O4 диаметром сто-двести нанометров и растворителя, который не дает наночастицам слипнуться. Когда такие чернила попадают на основу, они имеют грязно-бурый оттенок. Но если перпендикулярно поверхности приложить магнитное поле, наночастицы выстроятся в цепочки, и свет, интерферируя с ними, станет отражаться в определенной полосе частот, придавая поверхности нужный цвет, зависящий от расстояния между частицами. Для закрепления результата краску с помощью метода фотолитографии без маски облучают ультрафиолетом, который полимеризует резину и фиксирует в ней наночастицы.

Повторив операцию несколько раз с различной силой магнитного поля, можно получить полноцветный рисунок (гибкость метода позволяет использовать довольно богатую палитру). Для печати одного цвета (выстраивание наночастиц в цепочки с дальнейшей полимеризацией резины) требуется около десятой доли секунды. И это, пожалуй, рекордная скорость изготовления фотонного кристалла. Однако в систем-­прототипе магнитное поле переключается пока слишком медленно — на это уходит несколько секунд.

Корейцы считают, что специальные метки, отпечатанные по их технологии, смогут использоваться для подтверждения подлинности товаров. Исследователи продолжают работать над способами обратимой фиксации цвета, чтобы фотонные кристаллы можно было применять даже в дисплеях. Впрочем, полагают специалисты, альтернативные технологии быстрого получения фотонных кристаллов (например, путем структурирования поверхности пластика лазером) могут оказаться выгоднее в производстве.

Другой прорыв наметился в создании плазмонных нанолазеров. Сразу две независимые научные группы из Калифорнийского университета в Беркли и Норфолкского университета (штат Вирджиния) продемонстрировали лазеры, размером не превышающие ста нанометров, что гораздо меньше дифракционного предела.

Миниатюрные лазеры давно приковывают внимание исследователей. Дело в том, что обычной электронике трудно работать на частотах выше десяти гигагерц, а оптическим устройствам и сотни терагерц вполне по плечу. Но оптический резонатор не может быть меньше половины длины волны. Давно предлагаются различные способы обхода «проклятья» дифракционного предела. Для этого, например, можно «смешать» свет с колебаниями электронной плазмы у поверхности металла и получить гибридные квазичастицы — поверхностные плазмоны. Но они сравнительно быстро разрушаются из-­за неизбежных потерь на нагрев металла. Кроме того, в лазере должна быть возбужденная активная среда, усиливающая колебания, которую надо как-то сочетать с металлом. И до сих пор это оставалось непреодолимой преградой.

Группе в Беркли удалось изготовить лазер из полупроводникового нановолокна, содержащего сульфид кадмия. Нановолокно отделено от серебряной подложки прозрачным диэлектриком толщиной пять нанометров. В этом зазоре, значительно меньшем дифракционного предела, потери у поверхностных плазмонов невелики; накачиваемое светом нановолокно хорошо их усиливает, и возникает эффективная сине-зелёная (489 нм) лазерная генерация в полосе под волокном шириной 38 нм. Зажатые в зазоре плазмоны обладают рядом уникальных свойств — например, высокой концентрацией энергии. Их можно использовать как источник в плазмонной электронике и в квантовых вычислениях; с помощью плазмонов можно будет изучать отдельные молекулы и нагревать сверхмалые области для магнитной записи информации. Теперь учёные хотят заменить оптическую накачку плазмонного лазера электронной, что сделает вполне реальным его использование в чипах.

В Норфолке пошли другим путём. Созданный там плазмонный нанолазер (спазер) представляет собой шарик диаметром 44 нм с золотым ядром, которое «обернуто» слоем кварца с примесью молекул красителя. Сферическое ядро играет роль резонатора для плазмонов, а его оболочка является активной средой. Такое устройство помещают в воду и накачивают другим лазером. Сгенерированный спазером свет может оставаться в виде плазмонов в наночастице или излучаться зелёными фотонами с длиной волны 530 нм. Подобные шарики (по мнению изобретателей, их можно уменьшить до нанометра) способны стать основой новых микроскопов и биосенсоров, чувствительных к отдельным молекулам.

"Компьютерра" №34 (798)