Физики создали уникальный материал для квантовых компьютеров

09:30, 14 сентября 2020

Ученые впервые синтезировали плазмонные наночастицы меди в оптической керамике

Образец уникального материала для квантовых технологий, оптоэлектроники и фотоники. Фото: Арсений Киряков.

Ученые УрФУ и УрО РАН впервые синтезировали плазмонные наночастицы меди в оптической керамике. Для этого физики использовали метод импульсной ионной имплантации, проведя бомбардировку ускоренными ионами меди оптически прозрачной матрицы алюмомагниевой шпинели MgAl2O4.

Статью о закономерностях процесса ионной имплантации с образованием плазмонных наночастиц и их влиянии на структуру и оптоэлектронные свойства нанокерамики авторы опубликовали в журнале Alloys and Compounds.

Эксперименты ученых УрФУ и УрО РАН позволили установить, что плазмонные наночастицы меди, внедренные в поверхностные слои ионно-имплантированной керамики алюмомагниевой шпинели, проявляют уникальные свойства. О сути работы рассказал сотрудник научно-исследовательской лаборатории (НИЛ) «Физика функциональных материалов углеродной опто- и микроэлектроники» УрФУ Арсений Киряков.

«Ионы, разогнанные до высоких энергий — в нашем случае это 30 килоэлектронвольт, — проникая в приповерхностный слой материала-мишени на глубину порядка десятков нанометров, способны с легкостью разрывать ее атомные связи. Поэтому в нашей работе впервые в качестве матрицы для синтеза плазмонных наночастиц выбрана оптическая керамика на основе сложного оксида алюминия-магния MgAl2O4. Наряду с оптической прозрачностью в широком спектральном диапазоне данные керамики обладают повышенной стойкостью к воздействию излучений, что позволяет эксплуатировать полученный материал в интенсивных радиационных полях», — говорит Арсений Киряков.

При определенных режимах имплантации, продолжает Арсений Киряков, в прозрачной керамике алюмомагниевой шпинели формируются наноструктуры типа ядро-оболочка, где в качестве ядра выступает металлическая наночастица меди, а оболочкой служит оксидный слой. Такие наноструктуры обладают плазмонными характеристиками: при совпадении частот колебаний «поверхностных» электронов с частотой электромагнитного излучения, падающего на поверхность облучаемого материала, происходит резонансное поглощение фотонов с возникновением новых квазичастиц, плазмонов — квантов колебаний электронного газа в твердом теле, которые распространяются в поверхностном слое материала матрицы. Посредством плазмон-фотонного взаимодействия с керамической матрицей квазичастицы обеспечивают проявление целого ряда интересных физических явлений, таких как формирование сильных электрических полей вблизи плазмонных наночастиц, усиление колебаний атомов, известное как SERS (surface induced Raman scattering), и др. Данные эффекты могут быть использованы, например, в целях повышения конверсионно-энергетических характеристик солнечных элементов, для усиления квантового выхода микроскопических источников света и чувствительности фотодетекторов.

Наиболее пригодными для получения плазмонных наночастиц являются химические элементы, относящиеся к группе благородных металлов, таких как золото, платина, серебро и т. д. Физики УрФУ и УрО РАН выбрали для бомбардировки оптической керамики медь. Главная причина такого выбора — слабый потенциал окисления, позволяющий эффективно формировать наночастицы в металлическом состоянии. Важным фактором также послужило то, что частота плазмонного резонанса меди лежит в видимой части оптического спектра. В то же время для большинства других металлов частота плазмонного резонанса находится в ультрафиолетовом диапазоне, что по ряду причин не позволяет реализовать оптимальные функциональные свойства плазмонных наночастиц в структуре керамической матрицы. Кроме того, немаловажно, что с экономической точки зрения использование меди менее затратно, чем золота или серебра.

«Нестандартная идея формирования плазмонных структур благородных металлов в оптической нанокерамике предложена руководителем работы, возглавляющим НИЛ „Физика функциональных материалов углеродной микро- и оптоэлектроники“ Анатолием Зацепиным. В ходе исследований лаборатория активно сотрудничала с коллегами из Лаборатории пучков частиц Института электрофизики УрО РАН, руководитель — член-корреспондент РАН Николай Гаврилов. В целом проект является пионерским для науки Урало-Сибирского региона», — подчеркивает Арсений Киряков.

Полученный новый материал представляет интерес для применения в квантовых технологиях (при создании новейших устройств оптоэлектроники и фотоники, в частности, в однофотонных источниках и детекторах, необходимых для использования в квантовых компьютерах и других перспективных функциональных устройствах). Вместе с тем, такие материалы могут быть использованы для создания нового поколения твердотельных лазеров, светодиодов, фоточувствительных сенсоров, высокоэффективных конверторов излучений, оптических датчиков и нанолюминофоров.

Научные исследования по данному направлению осуществляются при поддержке гранта РФФИ № 20-42-660012.

Справка

В настоящее время плазмонные материалы, основанные на принципе поверхностного плазмонного резонанса, начинают активно внедрять в повседневную жизнь. Поскольку плазмоны крайне чувствительны к малейшим изменениям на поверхности, плазмонные материалы могут быть использованы в особо скрупулезных биологических исследованиях в качестве чувствительных сенсоров различных белков: любое изменение в конфигурации белка ведет к изменению его диэлектрической проницаемости и, как следствие, к изменению параметров формирования плазмонов. Кроме того, эффект поверхностного плазмонного резонанса лежит в основе действия экспресс-тестов на различные заболевания, усилителей оптоэлектронных сигналов, усилителей конверсионных свойств материалов солнечной энергетики.