Лаборатория с малопонятным для непосвященных названием: нанооптики и плазмоники — все равно когда-нибудь открылась бы в МФТИ. Но случилось так, что в 2006 году выпускники Физтеха, а ныне профессора университетов Дании и Франции Сергей Божевольный и Александр Тищенко прочитали лекции по плазмонике и нанооптике в альма-матер и поделились с коллегами идеями, как развивать эти перспективные направления. Вузу они необходимы, посчитали профессора Физтеха Анатолий Гладун и Владимир Лейман, поскольку имеют большие перспективы, а также привлекут внимание студентов, и помогли образованию лаборатории. На начальном этапе ее работу поддержали гранты РФФИ и контракты ФЦП “Кадры”. Первые публикации появились уже в 2008 году, через год вышло еще несколько работ. Спрашивается, как коллективу удалось так быстро преуспеть на новом поприще? Рассказывает один из организаторов лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ, заместитель заведующего, кандидат физико-математических наук Алексей АРСЕНИН:
— Возможно, все дело в том, что мы не признавали табу. Нам говорили: это сделать нельзя потому-то… Мы отвечали: хорошо, но давайте все же проверим. И не раз добивались успеха. А еще у нас были очень хорошие учителя.
— Что такое плазмоника?
— Если очень кратко, то это раздел оптики, в котором рассматриваются физические явления в системах с возможностью реализации связанных состояний фотонов и электронов. То есть речь идет об электромагнитном отклике, например, металлов или сложных систем из различных материалов. Основные преимущества плазмоники — это субволновые масштабы, в отличие от традиционной оптики, ограниченной классическим дифракционным пределом, и локализация электромагнитных волн около поверхности. (В данном случае рассматриваются поверхностные волны, так называемые поверхностные плазмон-поляритоны). В некотором смысле плазмоника — это двумерная оптика. Такое определение уместно, учитывая тот факт, что в последние годы плазмоника активно развивается в области двумерных материалов. А основная задача лаборатории — компенсация потерь и усиление поверхностных плазмон-поляритонов, так как при распространении оптического сигнала сопротивление, созданное металлом, приводит к большим потерям.
Наиболее распространенный подход к решению этой проблемы — разработка инверсной заселенности в активной среде, расположенной вблизи поверхности металла, при помощи оптической накачки. Мы же использовали электрическую накачку, интегрированную в активный плазмонный (металл-полупроводниковый) волновод или резонатор, которая помимо малых размеров характеризуется высокой энергоэффективностью. На основе этой технологии мы получили перспективные схемы наноразмерных лазеров. По нашему мнению, освоение таких лазеров в ближайшем будущем по масштабу своего влияния на экономику не уступит обычным лазерам. До недавнего времени считалось, что основной материал плазмоники — это золото, возможно, еще и серебро, а для ряда приложений — алюминий. Но нам удалось экспериментально доказать, что медь оказалась незаслуженно забытой, тем более что этот металл имеет гораздо больший потенциал для технологии массового производства наноустройств. На примере наноразмерных гибридных плазмонных волноводов на основе меди было продемонстрировано, что длина пробега плазмонов в таких волноводах на 20% выше, чем в случае волноводов на основе золота. Этот результат был по достоинству оценен: на днях выйдет публикация в ведущем профильном журнале “Nano Letters”.
— Будут ли востребованы ваши разработки?
— В этом нет никаких сомнений. Создаваемые нами активные плазмонные волноводы с возможностью компенсации потерь за счет электрической накачки находятся в сфере интересов ведущих производителей микроэлектроники. Ожидается, что в перспективе они заменят медные межсоединения между ядрами в многоядерных микропроцессорах. Сейчас еще рано говорить о применениях нанолазеров, но, безусловно, они могли бы стать одним из ключевых элементов нейросистем. Подходы, отрабатываемые в оптогенетике, через какое-то время потребуют миниатюризации источников излучения до характерных размеров тела нервных клеток.
Есть в лаборатории направление, которое уже вышло на стадию прикладных результатов. Это высокочувствительные графеновые биосенсоры на оптических принципах. Один из наших аспирантов Юрий Стебунов учился на совместной кафедре РОСНАНО и МФТИ (студенты этой кафедры выполняют научную работу в проектных компаниях РОСНАНО). Юрий прошел отбор в американскую компанию BiOptix, задачей которой являлось создание в России производства биочипов для безметковых биосенсоров на основе поверхностного плазмонного резонанса. Предполагалось, что большая часть исследований по повышению чувствительности биочипов должна быть выполнена в нашей лаборатории. До этой работы Юрий занимался разработкой детекторов терагерцового излучения на основе графена, и у нас возникла идея проверить эффективность графена в биочипах, представляющих собой стеклянную пластинку, покрытую тонкой пленкой золота со связующим слоем и биоактивным слоем, включающим в себя молекулы-мишени. От эффективности связующего слоя в значительной мере зависят чувствительность и возможность многократного использования таких биочипов. Мы предложили в этом качестве использовать графен и оксид графена и создали новый тип биочипов с большей чувствительностью. Наша лаборатория была далеко не единственной, кто работал над использованием новых двумерных материалов для улучшения характеристик биочипов, но нам удалось опередить зарубежных коллег. Мы первыми запатентовали эту разработку и сегодня проходим процедуру международного патентования. На днях американское патентное ведомство опубликовало нашу заявку на патент.
Лаборатория продолжает работу над совершенствованием этой разработки, и мы ожидаем, что для определенных биохимических реакций биочипы на основе оксида графена обеспечат чувствительность в десятки и сотни раз большую, чем существующие коммерческие аналоги. Чтобы убедиться в этом, нужны продолжительные и интенсивные исследования. Здесь мы рассчитываем на биофизиков, заинтересованных в нашей разработке и готовых проводить эксперименты.
Мы продолжаем заниматься созданием биосенсоров и вместе с коллегами из Центра коллективного пользования уникальным научным оборудованием в области нанотехнологий разрабатываем сверхкомпактный (с размерами элементов в сотни нанометров) наномеханический (плазмонный) сенсор, который должен обеспечить чувствительность на уровне единичных молекул. Теоретическая и расчетная части этой работы опубликованы.
В области нанооптики работаем на стыке физики, вычислительной математики и программирования, создаем высокоэффективные и высокоточные методы анализа структур микроэлектроники и дифракционной оптики. Они на порядки быстрее традиционных, что позволяет создавать более совершенные, оптимальные элементы оптических и оптоэлектронных приборов. Среди них — установки оптической фотолитографии, дифракционные решетки и светодиоды. Эти исследования мы ведем вместе с французским университетом Жана-Монэ в Сент-Этьене. Разработанные нами методы прошли успешную апробацию в исследовательских центрах компаний Osram Opto Semiconductors, Carl Zeiss и ST Microelectronics.
— Статьи в ведущих журналах помогают вам устанавливать контакты с иностранными коллегами?
— Безусловно, но в еще большей степени помогают доклады на международных конференциях. Если раньше мы полагались в основном на сотрудничество с нашими давними коллегами — выпускниками Физтеха, а они работают в Дании, Франции, Японии, других странах, то теперь к ним добавились зарубежные специалисты, готовые вести с нами совместные исследования.
— Есть ли в нашей стране спрос на ваши исследования?
— Пока, я бы сказал, есть интерес. В компаниях, технопарках, даже госкорпорациях читают наши статьи и просят подробнее рассказать о работах лаборатории. Однако дальше этого дело не идет: предложений участвовать в совместных проектах не поступает. Но интерес растет день ото дня, и это обнадеживает.
— У вас разнообразное оборудование. Кто помогает его приобретать?
— Можно сказать, что Физтех в нас поверил, поэтому лаборатория включена в различные программы, которые финансируются университетом при поддержке Минобрнауки РФ. Помимо аналитических и измерительных приборов, у нас есть и технологическое оборудование, например напылительная установка для получения очень тонких пленок с превосходными оптическими свойствами. Скоро появится установка для травления полупроводников с целью создания элементов активной плазмоники и уникальный ближнепольный микроскоп. И наша задача — оправдать эти вложения.
— Студенты идут к вам?
— Да, они знают, что мы ведем конкретные проекты, которые могут принести ощутимую пользу науке и промышленности. В этом мы видим свою главную задачу и постоянно задаем себе вопрос: какую пользу могут принести наши исследования? Мы продолжаем традиции, заложенные нашими учителями, которые пришли в вуз из оборонных предприятий. Обычно студенты идут к нам, начиная с третьего курса, но случается и раньше. Они знают: просто так попасть к нам не получится. Их ждут конкурс и тестовые задачи. Но делается это больше для того, чтобы лучше понять друг друга. Мы решаем, подходят ли они нам, а они взвешивают: устраивают ли их наши условия. Нас интересует не столько их физико-математическая подготовка, известно, что в вузе она на самом высоком уровне, и не какие-то специальные знания, нам важно, чтобы у ребят была жажда знаний, чтобы у них горели глаза. Костяк лаборатории составляют 15 человек, коллектив молодой, в основном до 30 лет. Мне 37 — и я считаюсь чуть ли не пожилым. Заведующий лабораторией — Валентин Сергеевич Волков, ученик Сергея Божевольного. У нас четыре молодых кандидата наук, среди них — Алексей Щербаков, продвигающий вычислительную нанооптику, а также один из первых студентов лаборатории Дмитрий Федянин, который досрочно защитил кандидатскую диссертацию и сейчас возглавляет собственное научное направление, именно ему мы обязаны своими успехами в активной плазмонике. Наши ребята удостаиваются премий РАН, Президентских стипендий и наград международных конференций за лучшие доклады. Большинство сотрудников лаборатории могли бы неплохо устроиться за рубежом, но предпочитают работать здесь.
— Какой вы хотели бы видеть лабораторию в недалеком будущем?
— Думаю, со временем из стен лаборатории могут выйти претенденты на высшую мировую премию. Помимо выпускника Физтеха Константина Новоселова найдется еще немало талантливых ребят, которые в будущем сумеют добиться выдающихся результатов и станут нобелевскими лауреатами. А наша задача — создать условия, чтобы у них все получилось.
Андрей Максимов
Фото Николая Степаненкова
Нет комментариев