НАНОФОТО́НИКА

НАНОФОТО́НИКА (на­но­оп­ти­ка), раз­дел оп­ти­ки, в ко­то­ром изу­ча­ют­ся яв­ле­ния, воз­ни­каю­щие при взаи­мо­дей­ст­вии оп­тич. из­лу­че­ния с объ­ек­та­ми раз­ме­ром от со­тен до еди­ниц на­но­мет­ров, т. е. су­ще­ст­вен­но мень­шим дли­ны вол­ны оп­тич. из­лу­че­ния (300–800 нм). Ино­гда к Н. от­но­сят так­же яв­ле­ния, воз­ни­каю­щие при взаи­мо­дей­ст­вии элек­тро­маг­нит­ных волн с пе­рио­дич. струк­ту­ра­ми, пе­ри­од ко­то­рых лишь не­мно­го мень­ше дли­ны вол­ны, – фо­тон­ны­ми кри­стал­ла­ми.

На­но­объ­ек­ты раз­де­ля­ют на ес­те­ст­вен­ные (ато­мы, мо­ле­ку­лы) и ис­кус­ст­вен­ные, по­лу­чен­ные из ес­теств. ма­те­риа­лов в ре­зуль­та­те тех­но­ло­гич. про­цес­сов. Взаи­мо­дей­ст­вие из­лу­че­ния с ато­ма­ми и мо­ле­ку­ла­ми, хо­тя и по­па­да­ет в класс Н., од­на­ко не яв­ля­ет­ся чем-то прин­ци­пи­аль­но но­вым.

Ис­кусств. на­но­объ­ек­ты мо­гут быть из­го­тов­ле­ны дву­мя прин­ци­пи­аль­но разл. спо­со­ба­ми: ис­кусств. струк­ту­ри­ро­ва­ни­ем (напр., пу­тём элек­трон­но-лу­че­вой ли­то­гра­фии) ли­бо в ре­зуль­та­те про­цес­сов са­мо­ор­га­ни­за­ции, ко­гда на­но­объ­ек­ты, взаи­мо­дей­ст­вуя друг с дру­гом, са­ми вы­страива­ют­ся в струк­ту­ры. Ре­зуль­та­том на­но­струк­ту­ри­ро­ва­ния яв­ля­ют­ся ме­тал­лич. на­но­объ­ек­ты на ди­элек­трич. под­лож­ке. Про­цес­сы са­мо­ор­га­ни­за­ции от­вет­ст­вен­ны, напр., за рост по­лу­про­вод­ни­ко­вых кри­стал­лов в фор­ме кван­то­вых то­чек, ис­поль­зуе­мых в ка­че­ст­ве ак­тив­ных мо­ле­кул для кван­то­вых уси­ли­те­лей и ла­зе­ров (см. Ла­зер на кван­то­вых точ­ках), за соз­да­ние на­нот­ру­бок, об­ла­даю­щих пер­спек­тив­ны­ми оп­тич. и элек­трич. свой­ст­ва­ми, а так­же гра­фе­на, при­ме­не­ние ко­то­ро­го в мик­ро­элек­тро­ни­ке мо­жет ка­че­ст­вен­но улуч­шить свой­ст­ва ком­по­нен­тов. На­но­объ­ек­ты мо­гут фор­ми­ро­вать­ся в ре­зуль­та­те хи­мич. ре­ак­ций, мо­ди­фи­ка­ции к.-л. спо­со­бом био­мо­ле­кул, что так­же мож­но от­не­сти к са­мо­ор­га­ни­за­ции.

Взаи­мо­дей­ст­вие клас­сич. на­но­объ­ек­тов (ди­элек­три­ков и ме­тал­лов, для опи­са­ния фи­зич. про­цес­сов в ко­то­рых нет не­об­хо­ди­мо­сти ис­поль­зо­вать по­ня­тия кван­то­вой фи­зи­ки) но­сит ре­зо­нанс­ный ха­рак­тер. В слу­чае ре­зо­нан­са воз­бу­ж­да­ет­ся собств. мо­да ко­ле­ба­ний, свой­ст­ва ко­то­рой за­ви­сят от ма­те­риа­ла, из ко­то­ро­го со­сто­ит на­но­объ­ект. Для ди­элек­три­ка свой­ст­ва собств. мо­ды обу­слов­ле­ны свя­зан­ны­ми, а для ме­тал­ла – сво­бод­ны­ми элек­тро­на­ми. Ре­зо­нанс­ные ко­ле­ба­ния во мно­го раз уве­ли­чи­ва­ют эф­фек­тив­ность взаи­мо­дей­ст­вия на­но­объ­ек­тов.

Свой­ст­ва кван­то­вых на­но­объ­ек­тов опи­сы­ва­ют с по­мо­щью кван­то­вых пред­став­ле­ний о взаи­мо­дей­ст­вии с внеш­ни­ми по­ля­ми, ко­то­рое при­во­дит к по­гло­ще­нию или ис­пус­ка­нию фо­то­нов. Важ­ным свой­ст­вом кван­то­вых на­но­объ­ек­тов (напр., кван­то­вых то­чек) яв­ля­ет­ся за­ви­си­мость внутр. струк­ту­ры кван­то­вых уров­ней от раз­ме­ра на­но­объ­ек­та, что по­зво­ля­ет мо­ди­фи­ци­ро­вать эту струк­ту­ру и по­лу­чать на­но­объ­ек­ты, ре­зо­нанс­ные на за­дан­ной дли­не вол­ны.

Ре­зо­нанс­но воз­бу­ж­дён­ные на­но­объ­ек­ты мо­гут взаи­мо­дей­ст­во­вать не толь­ко с по­ля­ми, но и с др. на­но­объ­ек­та­ми, как ес­те­ст­вен­ны­ми, так и ис­кус­ст­вен­ны­ми. Си­ла та­ко­го взаи­мо­дей­ст­вия мно­го­крат­но воз­рас­та­ет, ес­ли оба объ­ек­та об­ла­да­ют оди­на­ко­вы­ми ре­зо­нанс­ны­ми час­то­та­ми. Та­кие ре­зо­нанс­ные взаи­мо­дей­ст­вия ис­сле­до­ва­ны для ком­би­на­ций струк­тур разл. при­ро­ды: ме­тал­лич. на­но­объ­ек­тов, на­нот­ру­бок, кван­то­вых то­чек, по­ли­мер­ных и био­мо­ле­кул. Изу­че­ние взаи­мо­дей­ст­вий на­но­объ­ек­тов с био­мо­ле­ку­ла­ми от­кры­ва­ет воз­мож­но­сти для прин­ци­пи­аль­но но­вых ме­то­дов био­ме­ди­цин­ской ди­аг­но­сти­ки и ле­че­ния. Взаи­мо­дей­ст­вие кван­то­вых то­чек с ме­тал­лич. на­но­объ­ек­том при­ве­ло к соз­да­нию на­но­ла­зе­ра.

Воз­мож­но­сти Н. ис­поль­зу­ют при раз­ра­бот­ке но­во­го по­ко­ле­ния ми­ниа­тюр­ных уст­ройств для управ­ле­ния по­то­ка­ми све­то­вой энер­гии – по­лос­ко­вых вол­но­во­дов, час­тот­ных фильт­ров, на­но­кон­ту­ров элек­тро­маг­нит­ной свя­зи. В ос­но­ву та­ких уст­ройств по­ло­же­на ми­ниа­тю­ри­за­ция прин­ци­пи­аль­но схо­жих схем ра­дио­тех­ни­ки сан­ти­мет­ро­во­го и де­ци­мет­ро­во­го диа­па­зо­нов длин волн. Из­го­тов­ле­ние та­ких ми­ниа­тюр­ных уст­ройств в оп­тич. диа­па­зо­не ста­ло воз­мож­ным бла­го­да­ря ус­пе­хам на­но­тех­но­ло­гии в на­пы­ле­нии тон­ких ме­тал­лич. и ди­элек­трич. плё­нок кон­тро­ли­руе­мой тол­щи­ны на ди­элек­трич. под­лож­ки. Напр., по­лос­ко­вый вол­но­вод, соз­дан­ный на ос­но­ве на­пы­лён­ной плён­ки, мо­жет иметь тол­щи­ну по­ряд­ка 40–50 нм. Др. важ­ное при­ме­не­ние ме­тал­лич. плё­нок в Н. свя­за­но с соз­да­ни­ем пе­рио­дич. струк­тур вдоль их по­верх­но­сти; напр., на фоль­ге мож­но фор­ми­ро­вать ре­шёт­ки рав­но­от­стоя­щих от­вер­стий или вы­сту­пов с ха­рак­тер­ны­ми раз­ме­ра­ми по­ряд­ка 100 нм. Ре­зо­нанс­ное взаи­мо­дей­ст­вие све­та с ко­ле­ба­ния­ми элек­тро­нов ме­тал­ла на кра­ях от­вер­стий при­во­дит к про­зрач­но­сти та­кой фоль­ги для уз­кой по­ло­сы час­тот, оп­ре­де­ляе­мой гео­мет­рией этой струк­ту­ры.

Ис­сле­до­ва­ния в области Н. пер­спек­тив­ны для соз­да­ния ма­те­риа­лов с от­ри­ца­тель­ным по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния n, пред­ска­зан­ных В. Г. Ве­се­ла­го в 1967 (см. Ме­та­ма­те­риа­лы). Пер­вые об­раз­цы та­ко­го ма­те­риа­ла по­лу­че­ны экс­пе­ри­мен­таль­но в оп­тич. диа­па­зо­не В. М. Ша­лае­вым с со­труд­ни­ка­ми в 2005. В от­личие от обыч­но­го за­ко­на пре­лом­ле­ния све­та на гра­ни­це двух сред, луч све­та, па­даю­щий из воз­ду­ха на гра­ни­цу сре­ды с от­ри­цат. зна­че­ни­ем n, от­кло­ня­ет­ся в сто­ро­ну, об­рат­ную на­прав­ле­нию сво­его дви­же­ния. Рас­хо­дя­щий­ся пу­чок лу­чей, пре­лом­ля­ясь на гра­ни­це та­кой сре­ды, мо­жет пре­вра­тить­ся в схо­дя­щий­ся, фор­ми­руя т. н. су­пер­лин­зу, по­зво­ляю­щую при оп­ре­де­лён­ных ус­ло­ви­ях рас­смот­реть объ­ек­ты мень­ших раз­ме­ров, чем воз­мож­но с по­мо­щью обыч­ной стек­лян­ной лин­зы. Сре­ды с от­ри­цат. по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния от­кры­ва­ют пер­спек­ти­ву соз­да­ния т. н. обо­лоч­ки не­ви­ди­мо­сти, ко­гда лу­чи, па­даю­щие от внеш­не­го ис­точ­ни­ка, не от­ра­жа­ют­ся от объ­ек­та, а оги­ба­ют его, рас­про­стра­ня­ясь даль­ше без от­ра­же­ния и рас­сея­ния.

Тео­ре­тич. ис­сле­до­ва­ния в об­лас­ти Н. вклю­ча­ют в се­бя чис­лен­ное мо­де­ли­ро­ва­ние и разл. ана­ли­тич. мо­де­ли, ко­то­рые обыч­но но­сят оце­ноч­ный ха­рак­тер. Для экс­пе­рим. ис­сле­до­ва­ний в Н. ис­поль­зу­ют­ся прак­ти­че­ски все имею­щие­ся в оп­ти­ке ме­то­ды: спек­тро­ско­пи­че­ские, вре­мен­ны́е, а так­же ме­то­ды оп­тич. и элек­трон­ной мик­ро­ско­пии. Раз­ви­тие но­вых экс­пе­рим. ме­то­дов, та­ких как атом­но-си­ло­вая мик­ро­ско­пия и ска­ни­рую­щая мик­ро­ско­пия (см. Тун­нель­ный мик­ро­скоп), так­же сти­му­ли­ро­ва­ло раз­ви­тие Н., по­зво­ляя по­лу­чать ин­фор­ма­цию о на­но­объ­ек­те с не­об­хо­ди­мым про­стран­ст­вен­ным раз­ре­ше­ни­ем.