Нанолазер экономит память

Острота проблемы создания сверхкоротковолновых ультрафиолетовых лазеров очевидна далеко не каждому человеку науки, не говоря уже о широкой публике. Тем не менее, на сегодняшний день ситуация такова, что без разработки метода генерации коротковолновых световых импульсов человечеству трудно будет добиться дальнейшего продвижения как во многих областях науки, так и в технике.

Коротковолновый лазер с длиной волны 5–50 нанометров может найти свое применение в новых видах оптической микроскопии и литографии высокого разрешения, необходимой для создания микро- и наноэлектроники нового поколения. Кроме того, этот диапазон ультрафиолетового света очень перспективен в спектроскопических методах анализа вещества.

Однако для массового потребителя сокращение длины волны лазера всегда связано с увеличением ёмкости оптических запоминающих устройств – компакт-дисков, DVD и так далее.

Например, суть широко разрекламированной технологии Blue Ray, удвоившей ёмкость DVD-накопителей, на деле сводится к замене длинноволнового лазера коротковолновым – красного на синий. Конечно, к этим изменениям добавляется уйма других технических усовершенствований, однако основа именно в почти двукратном уменьшении длины волны считывающего луча. Длина волны сверхкоротковолнового УФ-излучения в десятки и сотни раз меньше той, что используется в Blue Ray, и это позволяет надеяться на десятки и сотни фильмов в формате высокого разрешения, умещающиеся на одном диске.

В настоящее время сверхкоротковолновые импульсы ультрафиолетового (УФ) света генерируются с помощью очень сложных и дорогостоящих установок, в основе принципа работы которых лежит получение высших гармоник электромагнитных колебаний с помощью сфокусированного пучка очень коротких лазерных импульсов продолжительностью порядка фемтосекунд (10^–15 с). Наибольшую трудность в этой задаче представляет получение очень мощных импульсов – мощностью порядка 10¹³ Вт/см². Получение таких импульсов напрямую из первичного источника излучения – очень затратное и масштабное мероприятие. Более того, усиление первичных импульсов мощностью до 10¹¹ Вт/см² требует создания больших и дорогих установок. После этого усиленное излучение подается в камеру с разреженным инертным газом, где вызывает его возбуждение и ионизацию.

Высвобожденные в ходе этого процесса электроны захватываются слабым электромагнитным полем, колебания которого заставляют электроны вновь соударяться с ионизированными атомами инертного газа, образовывать нейтральные атомы и выделять излишки энергии в виде коротковолнового ультрафиолетового излучения. Так формируются аттосекундные (одна аттосекунда – 10^–18 с, миллиардная доля миллиардной доли секунды) импульсы коротковолнового излучения, которые применимы сами по себе в метрологических приложениях, когда есть необходимость измерять очень короткие временные промежутки.

Для спектроскопических и микроскопических и ряда других приложений необходима дальнейшая обработка таких импульсов. Дело в том, что спектр этих пучков коротковолнового излучения состоит из спектральных линий, соответствующих четным гармоникам частоты электромагнитного поля, ускоряющего высвобожденные в ходе ионизации газа электроны.

Для применения импульсов в научных приложениях из этого спектра нужно отфильтровать все гармоники, кроме самой высокой коротковолновой.

Ультрафиолетовые лазеры, работающие по такой технологии, в настоящее время очень дороги и громоздки из-за необходимости создания отдельного блока усиления световых импульсов. Для нужд науки и технологий, микро- и наноэлектроники такие лазеры должны стоить разумные деньги и умещаться на рабочем столе. До последнего времени мало кто верил, что такое возможно, однако группа корейских ученых подарила всему миру надежду в своей статье, опубликованной в последнем номере журнала Nature.

Как это часто бывает в последнее время, научный переворот совершили нанотехнологии.

Учёные предложили инновационную методику получения мощных электромагнитных колебаний при помощи массива наноразмерных частиц золота, сложенных на подложке попарно и образующих узор наподобие галстука-бабочки.

Такой орнамент был необходим для усиления первичного возбуждающего излучения обычного титаново-сапфирового лазера с длиной волны излучения около 800 нанометров.

Секрет ученых лежит в использовании размерно-геометрического эффекта в поведении так называемых плазмонов – квазичастиц, отвечающих квантованию коллективных колебаний свободного электронного газа на поверхности металла. Если поверхность металла подвергнуть воздействию светового излучения нужной частоты, поверхностные плазмоны входят в резонанс, резко увеличивая локальную интенсивность колебаний по сравнению с возбуждающим излучением.

Это явление уже нашло применение в одном из видов рамановской спектроскопии (спектроскопии комбинационного рассеяния), приспособленной для детектирования отдельных молекул, адсорбированных на поверхности; такой метод детектирования молекул широко применяется в современной биохимии.

Усиление интенсивности электромагнитного излучения зависит от ряда параметров резонанса плазмонов наночастиц. Некоторого дополнительного усиления корейским специалистам удалось добиться с помощью геометрических эффектов. Первый из них реализуется в узких, толщиной около 20 нанометров, зазорах между наночастицами, где происходит сильная локализация оптической энергии, приводящая к формированию так называемых гэп-плазмонов (от англ. gap – промежуток).

Второй геометрический эффект носит название эффекта громоотвода и заключается в концентрации энергии колебаний плазмонов в районе острия конических наносчастиц. Именно геометрия частиц, выработанная в ходе продолжительной теоретической работы, и обусловила успех научной группы профессора Сын Ву Кима из Корейского института передовых наук и технологий – конические наночастицы, повернутые друг к другу остриями, позволили добиться кумулятивного эффекта усиления электромагнитного излучения.

Теоретически усиление энергии электромагнитного поля с помощью массива наноантенн может достигать десятков тысяч раз, однако внутренние потери оптического излучения в наночастицах золота, несовершенство их кристаллической структуры позволяют увеличить интенсивность только стократно. Однако и этого оказывается вполне достаточно.

Для генерации интенсивного сверхкоротковолнового ультрафиолетового излучения массив наноантенн золота помещается в поток инертного газа – аргона и далее все происходит аналогично современным установкам для получения сверхкоротковолнового лазерного излучения. Газ, проходящий в зазорах между остриями конических наноантенн, возбуждается и ионизируется, вслед за чем происходит быстрая рекомбинация с испусканием интенсивного электромагнитного излучения, спектр которого содержит множество гармоник, вплоть до 17-й гармоники с длиной волны 47 нанометров.

Эта длина волны лежит в диапазоне сверхкоротковолнового УФ-излучения и, таким образом, может быть достигнута с помощью излучения в 100 раз менее интенсивного, чем это требуется в современных установках.

Новый метод получения такого излучения позволяет существенно удешевить и упростить конструкцию сверхкоротковолновых ультрафиолетовых лазеров, сделать их менее энергоемкими и более компактными. Применение подобной технологии в промышленных процессах микроэлектроники уже не за горами, а в будущем её совершенствование вооружит ученых не только новыми методиками оптической спектроскопии и микроскопии, но и, возможно, позволит создать новые методы исследования на основе рентгеновского излучения. Возможно, когда-то технологию смогут попробовать и простые смертные, так как применение сверхкоротковолновых лазеров наверняка позволит создать высокоплотные оптические носители информации.