http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=9770a6f8-f983-45cd-9668-83d6482a1385&print=1© 2024 Российская академия наук
Если сравнить квант света фотон с электроном, то оказывается, что длина его волны на порядки больше длины волны электрона. Однако человечество научилось более уверенно управлять электронами, размеры которых лежат в пределах 0,1 нм, нежели фотонами, размеры которых достигают сотен нм. Ученым еще предстоит изучить некоторые тонкости управления фотонами, и только после этого свет смогут широко использовать в различных устройствах.
Исследования в области нанофотоники - науки, нацеленной на создание оптических наноструктурированных материалов и функциональных устройств на их основе, очень популярны в мире. Недавно в Черноголовке состоялся симпозиум по нанофотонике, который организовали Центр фотохимии РАН, Институт проблем химической физики РАН и РФФИ. О том, что такое нанофотоника, где используются и будут применяться приборы, работа которых основана на свойствах света, рассказывает один из организаторов конференции, заместитель директора ИПХФ РАН член-корреспондент РАН Владимир Разумов.
- Нынешнюю стадию развития нанофотоники можно сравнить с состоянием микроэлектроники до того, как был изобретен транзистор, - говорит В.Разумов. - Тем не менее уже сегодня результаты работ в области нанофотоники - новые материалы и устройства - находят самое широкое применение. Во-первых, это всевозможные устройства отображения информации - дисплеи мобильных телефонов, персональных компьютеров и телевизоров. Во-вторых, это оптические запоминающие устройства - CD и DVD оптические диски, а также системы передачи информации по оптоволоконным линиям. Это то, что уже прочно заняло свое место в нашей повседневной жизни и непрерывно совершенствуется. Например, если сейчас объем информации оптического диска порядка 1 Гбайт, то в ближайшие год-два он составит 10-100 Гбайт. Оптические образцы таких дисков фирмы уже имеют. Стремительный прогресс намечается также и в оптоволоконных линиях передачи информации. Это в первую очередь связано с созданием новых нелинейных оптических сред, наноструктурированных оптических волокон и фотонных кристаллов.
Другая достаточно широкая сфера применения нанофотоники, которая пока еще находится в стадии прикладных поисковых исследований, - это энергетика. Я имею в виду системы преобразования световой энергии в электрическую (солнечные батареи) и электрической энергии в световую (электролюминесцентные материалы и устройства), а также системы химического запасания световой энергии (например, получение водорода путем фоторазложения воды). Ну и, наконец, отдельная область нанофотоники - это новые интегрированные сенсорно-диагностические системы для контроля окружающей среды, состояния человека и его взаимодействия с окружающей средой и техносферой.
Грядущий подъем нанофотоники на качественно новый уровень связан с созданием оптических логических устройств, оптоэлектронных процессоров и компьютеров c архитектурой, подобной мозгу человека, стереоскопической системой визуализации информации, подобной зрительному процессу.
- На выставке научных разработок, которая проходила во время XVIII Менделеевского съезда, был один очень интересный экспонат - оптический сенсорный элемент на основе наноструктур, совместный продукт Центра фотохимии РАН и частной компании SIAMS. Хемочип, с помощью которого можно анализировать состав различных газовых смесей. Наверное, вы хорошо знаете эту разработку?
- Да, там газ, попадающий на сенсорный элемент, изменяет оптический сигнал молекул-индикаторов. Газовые анализаторы предыдущего поколения были селективно настроены на какое-то одно вещество. В данном случае используется совершенно другой подход к диагностике. Мы идем за природой. Собака чувствует человека по запаху. В нем содержится не только индивидуальный портрет человека, но и портрет физического состояния человека, наличия у него каких-либо заболеваний. Да и сам принцип системы обоняния состоит в том, что в ней нет клеток, селективно настроенных на определенные запахи, все клетки одновременно реагируют на все, что их окружает, но по-разному, а далее сигнал обрабатывается по принципу нейронной сети. Хемочип можно сравнить с искусственным носом.
- Электрическая лампа накаливания - знакомое каждому устройство, освещающее наши дома и квартиры. В последнее время все чаще слышу слово “светодиоды”...
- Дело в том, что около 15% всей электроэнергии, вырабатываемой на земном шаре, используется для преобразования в свет. Эффективность этого преобразования привычными для нас лампами накаливания составляет несколько процентов. Чуть выше КПД у газоразрядных ламп. Совершенно другой принцип заложен в светодиодах - фактически это прямое преобразование в полупроводнике энергии носителей тока в свет, которое происходит в результате их рекомбинации. Поэтому и КПД здесь намного больше. Мы уже пользуемся в быту этими светодиодами и хорошо знаем, что светодиодный фонарик работает намного дольше от той же батарейки, чем обычный, да и светит он намного ярче.
С одной стороны, совершенно очевидно, что за этими преобразователями - будущее, но с другой - есть проблема в их высокой себестоимости, ведь они изготавливаются из дорогостоящих неорганических полупроводников. Если такие светодиоды использовать в карманном фонарике, то это может оказаться рентабельным, ведь они позволяют экономить энергию аккумуляторной батареи, однако подобная лампа для освещения, например, квартиры может показаться слишком дорогой, хотя и, в отличие от ламп накаливания, может проработать без замены чуть ли не 25 лет.
Поэтому исследователи бьются над тем, чтобы создать более дешевый органический материал для использования в светодиодных преобразователях. И такие материалы уже есть. Основу их составляют электропроводящие полимеры и различные органические и гибридные люминофоры - супрамолекулярные комплексы и люминесцирующие квантовые точки. Характеристики органических светоизлучающих диодов в настоящее время практически не уступают полупроводниковым светодиодам, они также ярко светят, эффективно преобразуют электрическую энергию в световую и имеют невысокую цену. Однако массовое их использование пока невозможно из-за нестабильности органических материалов в процессе их эксплуатации. Их главный враг - кислород и влажность. Нужно решить проблему их защиты от воды и кислорода и найти способы стабилизации их характеристик. Конечно, это сделает технологию дороже. Возникает вопрос: что же тогда лучше - органика или неорганика? А может, пойти на компромисс - не нужно, чтобы лампа была чересчур долговечной, может быть, достаточно сделать ее настолько дешевой, чтобы не жаль было заменять хотя бы раз в год, как лампы накаливания, которые мы регулярно выбрасываем?
- У вас в Институте проблем химической физики проводятся исследования по созданию органических солнечных батарей на основе производных фуллеренов. Вы решаете ту же проблему - перехода с кремния на органику?
- Ответ на вопрос, нужно ли переходить на органические солнечные батареи, - предмет серьезной научной дискуссии. С одной стороны, кремниевые батареи долговечны, имеют больший по сравнению с органическими батареями коэффициент преобразования световой энергии в электрическую - 20%. У органических - пока не более 5%. С другой - расчетная стоимость 1 кВт/часа энергии у кремниевых батарей в 10 раз выше, чем у электростанции. Такая система может быть рентабельной, например, в горах, когда рядом нет линии электропередачи, но зачем она нужна, если рядом розетка? Как изыск? Другое дело - органические солнечные батареи. Стоимость, которую уже сейчас мы можем в них заложить, и при 3-4-процентном коэффициенте преобразования световой энергии в электрическую позволяет говорить о рентабельности их использования даже в домашних условиях. Повесил на стену такую панель из полимерного материала, днем накапливаешь энергию, а вечером тратишь! Недавно появилось сообщение, что для органической солнечной батареи удалось достигнуть 6-процентного коэффициента преобразования света в электроэнергию.
- В самом начале вы сказали об использовании света в системах передачи информации по оптоволоконным линиям. Будут ли в этом направлении фотоники прорывы в ближайшие годы?
- Главная проблема здесь - повышение плотности передачи информации. Дело в том, что световой пакет в процессе его движения по оптоволокну расплывается. Преодолеть дифракционное расплывание можно в нелинейном оптическом материале. Для этого надо создать другое оптоволокно, которое будет фокусировать оптический сигнал. Это одна из интереснейших проблем фотоники - создание новых оптических сред, в которых можно реализовать нелинейности. Одной из таких сред являются наноструктурированные оптические волокна и фотонные кристаллы.
- Это фантастические кристаллы, которые способны не отражать и не поглощать свет, а преломлять его совершенно чудесным образом? Когда свет огибает оптический материал, оставляя предметы, которые находятся за ним, невидимыми?
- Действительно, это одно из самых удивительных явлений, которое можно реализовать с помощью фотонных кристаллов. Около 40 лет назад профессор Веселаго опубликовал статью “Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями диэлектрической и магнитной постоянной”, в которой обсуждался вопрос о том, какими свойствами могло бы обладать вещество с отрицательным коэффициентом преломления света. К этой идее в то время отнеслись более чем скептически. И вот через 40 лет такие материалы имитируют с помощью фотонных кристаллов. Получается материал-невидимка, прямо как у Герберта Уэллса.
Как работает фотонный кристалл? Это регулярная решетка, образованная благодаря тому, что материал имеет коэффициент преломления света, периодически изменяющийся в пространстве. Это могут быть регулярно расположенные шарики, волокна и так далее.
Фотонный кристалл есть оптический аналог полупроводника, в том смысле что его регулярная структура для световой волны создает разрешенные и запрещенные зоны, так же как атомарная решетка кристалла создает разрешенные и запрещенные зоны для движения электронов. Меняя структуру фотонного кристалла, мы можем управлять фотонами.
- Каких технологических новинок, связанных с использованием света, можно ожидать в ближайшие годы?
- Европейское сообщество поддерживает ряд программ в области биомедицинской диагностики. Один из примеров - создание интегрированной диагностической системы состояния человека. Что она из себя представляет? Это пластиковый браслет на руке человека, в который вмонтирован оптический хемочип, контролирующий газовую среду выделений (вместо анализа крови), с помощью которого контролируется состояние его здоровья. Кроме того, в этом браслете - устройства для измерения температуры, кровяного давления и электронная схема (тоже полностью из органических материалов), с помощью которой вся информация передается на мобильный телефон или в поликлинику. В этой системе нет батарей, она автономно питается с помощью устройства, которое преобразует свет и человеческое тепло в электрическую энергию.
Еще одно интересное направление - оптическая томография. В настоящее время разрабатывается несколько различных систем для оптического томографа. Одна из них - оптическая когерентная томография - работает следующим образом. Фемтосекундный лазер испускает очень короткий импульс света, который проходит через ткани (в красной и ближней ИК области спектра биологическая ткань почти прозрачна) и где-то отражается. Время, за которое свет пробегает и отражается от какой-то точки объекта, фиксирует компьютер. Это позволяет создать по времени пробега и отражения объемную картинку ткани.
- Какое место в развитии нанофотоники занимает Россия по сравнению с другими странами? Есть ли у нас перспектива занять хотя бы часть мирового рынка в этой области?
- Да, сейчас это довольно традиционный и в какой-то мере риторический вопрос. Я бы на него ответил так: в России есть очень большой задел в этой области, признанный научный потенциал и люди, которые могли бы его реализовать. То, как сложится реальная ситуация и какое место Россия займет в этой области, во многом будет зависеть и от самого научного сообщества, то есть от того, насколько правильно мы определим приоритеты наших исследований, и от того, как государство будет поддерживать это направление на финансовом и законодательном уровнях.