Фотоэкскурсия: что делают в лаборатории квантовых материалов Университета ИТМО
Ранее мы показывали наш фаблаб и лабораторию киберфизических систем. Сегодня вы сможете посмотреть на оптическую лабораторию физико-технического факультета Университета ИТМО.
На фото: трехмерный нанолитограф
Лаборатория низкоразмерных квантовых материалов относится к научно-исследовательскому центру нанофотоники и метаматериалов (MetaLab) на базе физико-технического факультета.
Её сотрудники занимаются изучением свойств квазичастиц: плазмонов, экситонов и поляритонов. Эти исследования сделают возможным создание полноценных оптических и квантовых компьютеров. Лаборатория разбита на несколько рабочих зон, покрывающих все этапы работы с низкоразмерными квантовыми материалами: подготовку образцов, их изготовление, характеризацию и оптические исследования.
Первая зона оборудована всем необходимым для подготовки образцов метаматериалов.
Для их очистки установлена ультразвуковая мойка, а чтобы обеспечить безопасную работу со спиртами, здесь оборудована мощная вытяжка. Некоторые материалы для исследований нам поставляют партнерские лаборатории в Финляндии, Сингапуре и Дании.
Для стерилизации образцов в помещении стоит сушильный шкаф BINDER FD Classic.Line. Нагревательные элементы внутри него поддерживают температуру от 10 до 300°C. Он имеет USB-интерфейс для непрерывного мониторинга температуры в течение эксперимента.
Эту камеру сотрудники лаборатории также используют для проведения стресс-тестов и испытаний проб на старение. Такие эксперименты необходимы, чтобы понять, как ведут себя материалы и устройства при определенных условиях: стандартных и экстремальных.
В соседнем помещении установлен трехмерный нанолитограф. Он позволяет фабриковать трехмерные структуры размером в несколько сотен нанометров.
Принцип его работы построен на явлении двухфотонной полимеризации. По сути, это 3D-принтер, использующий лазеры для формирования объекта из жидкого полимера. Полимер затвердевает только в той точке, на которой сфокусировался лазерный луч.
На фото: трехмерный нанолитограф
В отличие от стандартных методов литографии, которые используются для создания процессоров и работают с тонкими слоями материалов, метод двухфотонной полимеризации позволяет создавать сложные трехмерные структуры. Например, вот такие:
Следующее помещение лаборатории используется для проведения оптических экспериментов.
Там установлен большой оптический стол длиной почти десять метров, заполненный многочисленными установками. Главные элементы каждой установки — источники излучения (лазеры и лампы), спектрометры и микроскопы. Один из микроскопов имеет сразу три оптических канала — верхний, боковой и нижний.
На нем можно измерять не только спектры пропускания и отражения, но и рассеяния. Последние дают очень богатую информацию о нанообъектах, например спектральных характеристиках и диаграммах направленности наноантенн.
На фото: эффект рассеяния света на кремниевых частицах
Все оборудование расположено на столе с единой системой подавления вибраций. Излучение любого лазера можно отправить на любую из оптических систем и микроскопов с помощью всего нескольких зеркал и продолжить исследования.
Газовый лазер непрерывного излучения с очень узким спектром позволяет проводить эксперименты по спектроскопии комбинационного рассеяния. Лазерный луч фокусируется на поверхности образца, а спектр рассеянного света регистрируется спектрометром.
В спектрах наблюдаются узкие линии, соответствующие неупругому рассеянию света (с изменением длины волны). Эти пики позволяют получить информацию о кристаллической структуре образца, а иногда даже о конфигурации отдельных молекул.
Также в помещении установлен фемтосекундный лазер. Он способен генерировать очень короткие (100 фемтосекунд — одна десятитрилионная часть секунды) импульсы лазерного излучения с огромной мощностью. В результате мы получаем возможность исследовать нелинейные оптические эффекты: генерацию удвоенных частот и другие фундаментальные явления, недостижимые в естественных условиях.
В лаборатории также стоит наш криостат. Он позволяет проводить оптические измерения с тем же набором источников, но при низких температурах — до семи Кельвинов, что примерно равно -266°C.
В таких условиях может наблюдаться ряд уникальных явлений, в частности, режим сильной связи света с веществом, когда фотон и экситон (электрон-дырочная пара) образуют единую частицу — экситон-поляритон. Поляритоны имеют большие перспективы в областях квантовых вычислений и устройств с сильными нелинейными эффектами.
На фото: зондовый микроскоп INTEGRA
В последнем помещении лаборатории мы разместили наши диагностические приборы — сканирующий электронный микроскоп и сканирующий зондовый микроскоп. Первый позволяет получать изображение поверхности объекта с высоким пространственным разрешением и исследовать состав, строение и другие свойства приповерхностных слоев каждого материала. Для этого он сканирует их фокусированным пучком электронов, разогнанных высоким напряжением.
Сканирующий зондовый микроскоп делает то же самое с помощью зонда, который сканирует поверхность образца. При этом можно одновременно получать информацию и о «ландшафте» поверхности образца, и о его локальных свойствах, например электрическом потенциале и намагниченности.
На фото: сканирующий электронный микроскоп S50 EDAX
Эти приборы помогают нам характеризовать образцы для проведения дальнейших оптических исследований.
Проекты и планы
Одним из главных проектов лаборатории связан с изучением гибридных состояний света и материи в квантовых материалах — уже упомянутых выше экситон-поляритонов. Этой тематике посвящен мегагрант Министерства образования и науки Российской Федерации. Проект ведется под руководством ведущего ученого из Университета г. Шеффилд, Мориса Школьника. Экспериментальные работы по проекту ведет Антон Самусев, а теоретической частью руководит профессор физико-технического факультета Иван Шелых.
Также сотрудники лаборатории изучают способы передачи информации с помощью солитонов. Солитоны — это волны, не подверженные влиянию дисперсии. Благодаря этому сигналы, передаваемые с помощью солитонов, не «расплываются» по мере распространения, что позволяет увеличить и скорость, и дальность передачи.
В начале 2018 ученые нашего Университета и коллеги из вуза во Владимире представили модель твердотельного терагерцового лазера. Особенность разработки в том, что терагерцовое излучение не «задерживается» предметами из дерева, пластика и керамики. Благодаря этому свойству лазер найдет применение в зонах досмотра пассажиров и багажа — для быстрого поиска металлических объектов. Другая сфера применимости — реставрация древних предметов искусства. Оптическая система поможет получать изображения, скрытые под слоями краски или керамики.
В планах у нас — оснастить лабораторию новым оборудованием, чтобы проводить еще более сложные исследования. Например, докупить перестраиваемый фемтосекундный лазер, что позволит существенно расширить круг исследуемых материалов. Это поможет в задачах, связанных с разработкой квантовых чипов для вычислительных систем следующего поколения.
Как работает и чем живет Университет ИТМО:
