We hebben eerder onze и . Vandaag kunt u het optisch laboratorium van de afdeling Natuurkunde en Techniek van de ITMO-universiteit bezoeken.
Afgebeeld: 3D nanolithografie
Het Laboratorium voor Laagdimensionale Quantummaterialen behoort tot het Onderzoekscentrum voor Nanofotonica en Metamaterialen () op de basis .
De medewerkers zijn bezig met eigenschappen : plasmonen, excitonen en polaritonen. Dankzij deze onderzoeken kunnen volwaardige optische computers en quantumcomputers worden ontwikkeld. Het laboratorium is verdeeld in verschillende werkgebieden die alle fasen van het werk met laagdimensionale kwantummaterialen bestrijken: monsterbereiding, fabricage, karakterisering en optische studies.
De eerste zone is uitgerust met alles wat nodig is voor de monstervoorbereiding. .
Voor de reiniging wordt een ultrasoonreiniger geïnstalleerd en een krachtige afzuigkap zorgt ervoor dat er veilig met alcohol kan worden gewerkt. Een deel van de materialen voor ons onderzoek wordt aan ons geleverd door partnerlaboratoria in Finland, Singapore en Denemarken.
Voor de sterilisatie van de monsters is in de ruimte een BINDER FD Classic.Line droogkast geïnstalleerd. Verwarmingselementen in de behuizing zorgen voor een temperatuur tussen 10 en 300°C. Het beschikt over een USB-interface voor continue temperatuurbewaking tijdens het experiment.
In deze kamer voeren de medewerkers van het laboratorium ook stresstests en verouderingstesten uit op monsters. Dergelijke experimenten zijn nodig om te begrijpen hoe materialen en apparaten zich gedragen onder bepaalde omstandigheden: standaard en extreme.
In de aangrenzende ruimte is een driedimensionale nanolithografie geïnstalleerd. Hiermee is het mogelijk om driedimensionale structuren te maken die enkele honderden nanometers groot zijn.
Het werkingsprincipe is gebaseerd op het verschijnsel van tweefotonenpolymerisatie. In principe is het een 3D-printer die lasers gebruikt om een object te vormen uit vloeibaar polymeer. Het polymeer hardt alleen uit op de plek waar de laserstraal op gericht is.
Afgebeeld: 3D nanolithografie
In tegenstelling tot standaardlithografiemethoden, die worden gebruikt om processoren te maken en met dunne materiaallagen te werken, is met de tweefotonenpolymerisatiemethode de creatie van complexe driedimensionale structuren mogelijk. Bijvoorbeeld deze:
De volgende ruimte in het laboratorium wordt gebruikt voor optische experimenten.
Daar staat een grote optische tafel van bijna tien meter lang, gevuld met allerlei installaties. De hoofdelementen van elke installatie zijn stralingsbronnen (lasers en lampen), spectrometers en microscopen. Één van de microscopen heeft drie optische kanalen tegelijk: boven, zij en onder.
Hiermee kunnen niet alleen transmissie- en reflectiespectra worden gemeten, maar ook verstrooiing. Laatstgenoemde verschaft zeer uitgebreide informatie over nano-objecten, bijvoorbeeld over spectrale karakteristieken en stralingspatronen van nanoantennes.
Afgebeeld: Het effect van lichtverstrooiing op siliciumdeeltjes
Alle apparatuur staat op een tafel met één trillingsdempingssysteem. De straling van een laser kan met behulp van slechts een paar spiegels naar elk optisch systeem en elke microscoop worden gestuurd, waarna het onderzoek kan worden voortgezet.
Een continugolfgaslaser met een zeer smal spectrum maakt het mogelijk experimenten uit te voeren op . De laserstraal wordt op het oppervlak van het monster gericht en het spectrum van het verstrooide licht wordt door een spectrometer vastgelegd.
De spectra vertonen smalle lijnen die overeenkomen met inelastische verstrooiing van licht (met een verandering in golflengte). Deze pieken geven informatie over de kristalstructuur van het monster en soms zelfs over de configuratie van individuele moleculen.
De kamer beschikt ook over een femtosecondelaser. Het apparaat kan zeer korte (100 femtoseconden - een tien biljoenste van een seconde) pulsen laserstraling met enorm vermogen genereren. Hierdoor krijgen we de mogelijkheid om niet-lineaire optische effecten te bestuderen: het ontstaan van verdubbelde frequenties en andere fundamentele verschijnselen die onder natuurlijke omstandigheden onhaalbaar zijn.
Ook onze cryostaat bevindt zich in het laboratorium. Hierdoor kunnen optische metingen worden uitgevoerd met dezelfde bronnen, maar bij lage temperaturen – tot zeven Kelvin, wat ongeveer gelijk is aan -266°C.
Onder dergelijke omstandigheden kunnen een aantal unieke verschijnselen worden waargenomen, in het bijzonder het regime van sterke koppeling van licht met materie, waarbij een foton en een exciton (elektron-gat-paar) één enkel deeltje vormen - een exciton-polariton. Polaritonen zijn veelbelovend op het gebied van quantumcomputing en apparaten met sterke niet-lineaire effecten.
Afgebeeld: INTEGRA-sondemicroscoop
In de laatste kamer van het laboratorium plaatsten we onze diagnostische apparaten - и . Met de eerste techniek kan een afbeelding van het oppervlak van een object worden gemaakt met een hoge ruimtelijke resolutie en kunnen de samenstelling, structuur en andere eigenschappen van de oppervlaktelagen van elk materiaal worden bestudeerd. Om dit te doen, scant hij ze met een gerichte bundel elektronen die worden versneld door een hoge spanning.
Een rastermicroscoop doet hetzelfde, waarbij een sonde het oppervlak van het monster scant. In dit geval is het mogelijk om tegelijkertijd informatie te verkrijgen over het ‘landschap’ van het monsteroppervlak en de lokale eigenschappen ervan, zoals elektrisch potentiaal en magnetisatie.
Afgebeeld: S50 EDAX scanning elektronenmicroscoop
Met deze instrumenten kunnen wij monsters karakteriseren voor verdere optische studies.
Projecten en plannen
Een van de belangrijkste projecten van het laboratorium heeft betrekking op hybride toestanden van licht en materie in kwantummaterialen – de reeds genoemde exciton-polaritonen. Dit onderwerp is het onderwerp van een megasubsidie van het Ministerie van Onderwijs en Wetenschappen van de Russische Federatie. Het project staat onder leiding van vooraanstaand wetenschapper Maurice Shkolnik van de Universiteit van Sheffield. Anton Samusev voert het experimentele werk binnen het project uit en Ivan Shelykh, hoogleraar aan de faculteit Natuurkunde en Technologie, leidt het theoretische deel.
De laboratoriummedewerkers onderzoeken ook manieren om informatie over te brengen met behulp van solitonen. Solitonen zijn golven die niet onderhevig zijn aan dispersie. Dankzij dit principe verspreiden signalen die via solitonen worden verzonden zich niet tijdens de voortplanting, wat zorgt voor een toename van zowel de snelheid als het bereik van de transmissie.
Begin 2018 hebben wetenschappers van onze universiteit en collega's van de universiteit in Vladimir model van een vaste-stof terahertzlaser. Het bijzondere van de ontwikkeling is dat terahertzstraling niet wordt ‘vastgehouden’ door objecten van hout, plastic en keramiek. Dankzij deze eigenschap kan de laser worden toegepast bij passagiers- en bagage-inspecties, waar snel naar metalen voorwerpen kan worden gezocht. Een ander toepassingsgebied is de restauratie van oude kunstvoorwerpen. Met het optische systeem kunt u beelden verkrijgen die verborgen zitten onder verf- of keramieklagen.
Onze plannen omvatten het uitrusten van het laboratorium met nieuwe apparatuur om nog complexere onderzoeken uit te kunnen voeren. Denk bijvoorbeeld aan de aanschaf van een afstembare femtosecondelaser, waarmee het scala aan te bestuderen materialen aanzienlijk wordt uitgebreid. Dit zal helpen bij taken die verband houden met quantumchips voor computersystemen van de volgende generatie.
Hoe ITMO Universiteit werkt en waar zij van leeft:
Bron: www.habr.com
