Фотообиколка: какво се прави в лабораторията за квантови материали в университета ITMO

Преди това показахме нашите фаблаб и лаборатория по киберфизични системи. Днес можете да разгледате оптичната лаборатория на Факултета по физика и технологии на университета ITMO.

На снимката: XNUMXD нанолитография

Лабораторията за нискоразмерни квантови материали принадлежи към Изследователския център за нанофотоника и метаматериали (MetaLab) върху основата Физико-технологичен факултет.

Служителите му са ангажирани изучаване Имоти квазичастици: плазмони, екситони и поляритони. Тези изследвания ще направят възможно създаването на пълноценни оптични и квантови компютри. Лабораторията е разделена на няколко работни зони, обхващащи всички етапи на работа с нискоразмерни квантови материали: подготовка на проби, тяхното производство, характеризиране и оптични изследвания.

Първата зона е оборудвана с всичко необходимо за пробоподготовка метаматериали.

За почистването им е инсталиран ултразвуков почистващ препарат, а за да се осигури безопасна работа с алкохоли, тук е оборудван мощен аспиратор. Някои изследователски материали ни се доставят от партньорски лаборатории във Финландия, Сингапур и Дания.

За стерилизиране на пробите в помещението е монтиран сушилен шкаф BINDER FD Classic.Line. Нагревателните елементи в него поддържат температури от 10 до 300°C. Има USB интерфейс за непрекъснат мониторинг на температурата по време на експеримента.

Лабораторният персонал също използва тази камера за провеждане на стрес тестове и тестове за стареене на проби. Такива експерименти са необходими, за да се разбере как се държат материалите и устройствата при определени условия: стандартни и екстремни.

В съседната стая е монтиран триизмерен нанолитограф. Тя позволява производството на триизмерни структури с размери няколкостотин нанометра.

Принципът на действието му се основава на явлението двуфотонна полимеризация. По същество това е 3D принтер, който използва лазери, за да оформи обект от течен полимер. Полимерът се втвърдява само в точката, където е фокусиран лазерният лъч.

На снимката: XNUMXD нанолитография

За разлика от стандартните литографски техники, които се използват за създаване на процесори и работа с тънки слоеве материали, двуфотонната полимеризация позволява създаването на сложни триизмерни структури. Например така:

Следващата зала на лабораторията се използва за оптични експерименти.

Има голяма оптична маса с дължина почти десет метра, изпълнена с множество инсталации. Основните елементи на всяка инсталация са източници на радиация (лазери и лампи), спектрометри и микроскопи. Един от микроскопите има три оптични канала наведнъж - горен, страничен и долен.

Може да се използва за измерване не само на спектрите на предаване и отражение, но и на разсейване. Последните предоставят много богата информация за нанообектите, например спектралните характеристики и моделите на излъчване на наноантените.

На снимката: ефектът от разсейването на светлината върху силициевите частици

Цялото оборудване е разположено на маса с единична система за потискане на вибрациите. Лъчението на всеки лазер може да бъде изпратено до всяка от оптичните системи и микроскопи, като се използват само няколко огледала и изследванията могат да продължат.

Газов лазер с непрекъсната вълна с много тесен спектър дава възможност за провеждане на експерименти върху Раманова спектроскопия. Лазерният лъч се фокусира върху повърхността на пробата, а спектърът на разсеяната светлина се записва от спектрометър.

В спектрите се наблюдават тесни линии, съответстващи на нееластично разсейване на светлината (с промяна на дължината на вълната). Тези пикове предоставят информация за кристалната структура на пробата, а понякога дори и за конфигурацията на отделните молекули.

В помещението има инсталиран и фемтосекунден лазер. Той е способен да генерира много кратки (100 фемтосекунди - една десеттрилионна от секундата) импулси на лазерно лъчение с огромна мощност. В резултат на това получаваме възможност да изследваме нелинейни оптични ефекти: генериране на удвоени честоти и други фундаментални явления, непостижими в естествени условия.

Нашият криостат също се намира в лабораторията. Той позволява оптични измервания със същия набор от източници, но при ниски температури - до седем Келвина, което е приблизително равно на -266°C.

При такива условия могат да се наблюдават редица уникални явления, по-специално режимът на силно свързване между светлина и материя, когато фотон и екситон (двойка електрон-дупка) образуват една частица - екситон-поляритон. Поляритоните имат голямо обещание в областта на квантовите изчисления и устройствата със силни нелинейни ефекти.

На снимката: сондов микроскоп INTEGRA

В последната стая на лабораторията поставихме нашите диагностични инструменти - сканиращ електронен микроскоп и сканиращ сондов микроскоп. Първият ви позволява да получите изображение на повърхността на обект с висока пространствена разделителна способност и да изследвате състава, структурата и други свойства на повърхностните слоеве на всеки материал. За да направи това, той ги сканира с фокусиран лъч от електрони, ускорени от високо напрежение.

Микроскоп със сканираща сонда прави същото, като използва сонда, която сканира повърхността на пробата. В този случай е възможно едновременно да се получи информация за „пейзажа“ на повърхността на пробата и за нейните локални свойства, например електрически потенциал и намагнитване.

На снимката: сканиращ електронен микроскоп S50 EDAX

Тези инструменти ни помагат да характеризираме пробите за по-нататъшни оптични изследвания.

Проекти и планове

Един от основните проекти на лабораторията е свързан с изучаване хибридни състояния на светлината и материята в квантовите материали - екситон-поляритони, вече споменати по-горе. На тази тема е посветена мега-грант от Министерството на образованието и науката на Руската федерация. Проектът се ръководи от водещия учен от университета в Шефилд Морис Школник. Експерименталната работа по проекта се извършва от Антон Самусев, а теоретичната част се ръководи от професора от Физико-технологичния факултет Иван Шелих.

Персоналът на лабораторията също изучава начини за предаване на информация с помощта на солитони. Солитоните са вълни, които не се влияят от дисперсия. Благодарение на това сигналите, предавани с помощта на солитони, не се „разпръскват“, докато се разпространяват, което прави възможно увеличаване както на скоростта, така и на обхвата на предаване.

В началото на 2018 г. учени от нашия университет и колеги от университета във Владимир представени модел на твърдотелен терагерцов лазер. Особеността на разработката е, че терахерцовото излъчване не се „задържа“ от предмети от дърво, пластмаса и керамика. Благодарение на това свойство, лазерът ще се използва в зоните за проверка на пътници и багаж за бързо търсене на метални предмети. Друга област на приложение е реставрацията на древни предмети на изкуството. Оптичната система ще помогне да се получат изображения, скрити под слоеве боя или керамика.

Плановете ни са да оборудваме лабораторията с нова апаратура, за да правим още по-сложни изследвания. Например, закупете регулируем фемтосекунден лазер, който значително ще разшири обхвата на изследваните материали. Това ще помогне при задачи, свързани с развитие на квантови чипове за следващо поколение изчислителни системи.

Как работи и живее университетът ITMO:

• Дайджест на университета ITMO TL;DR: некласически признания и интересни материали
• Квантовите комуникации – проект за нехакваеми системи за предаване на данни
• Интелигентен стетоскоп - стартиращ проект от ускорителя на университета ITMO

Източник: www.habr.com