Wcześniej pokazaliśmy nasze и . Dziś można obejrzeć laboratorium optyczne Wydziału Fizyki i Technologii Uniwersytetu ITMO.
Na zdjęciu: nanolitografia XNUMXD
Laboratorium Niskowymiarowych Materiałów Kwantowych należy do Centrum Badań Nanofotoniki i Metamateriałów () na bazie .
Jej pracownicy są zaangażowani nieruchomości : plazmony, ekscytony i polarytony. Badania te pozwolą na stworzenie pełnoprawnych komputerów optycznych i kwantowych. Laboratorium podzielone jest na kilka obszarów roboczych obejmujących wszystkie etapy pracy z niskowymiarowymi materiałami kwantowymi: przygotowanie próbek, ich wytwarzanie, charakterystykę i badania optyczne.
Pierwsza strefa wyposażona jest we wszystko, co niezbędne do przygotowania próbki .
Do ich czyszczenia instalowana jest myjka ultradźwiękowa, a dla zapewnienia bezpiecznej pracy z alkoholami wyposażona jest tutaj w mocny okap. Część materiałów badawczych dostarczają nam laboratoria partnerskie w Finlandii, Singapurze i Danii.
Do sterylizacji próbek w pomieszczeniu zainstalowana jest suszarnia BINDER FD Classic.Line. Znajdujące się w nim elementy grzejne utrzymują temperaturę od 10 do 300°C. Posiada interfejs USB umożliwiający ciągłe monitorowanie temperatury w trakcie trwania eksperymentu.
Pracownicy laboratorium wykorzystują tę komorę również do przeprowadzania testów obciążeniowych i starzenia próbek. Takie eksperymenty są niezbędne, aby zrozumieć, jak materiały i urządzenia zachowują się w określonych warunkach: standardowych i ekstremalnych.
W kolejnym pomieszczeniu zainstalowano trójwymiarowy nanolitograf. Umożliwia wytwarzanie trójwymiarowych struktur o wielkości kilkuset nanometrów.
Zasada jego działania opiera się na zjawisku polimeryzacji dwufotonowej. Zasadniczo jest to drukarka 3D, która wykorzystuje lasery do kształtowania obiektu z ciekłego polimeru. Polimer twardnieje dopiero w miejscu skupienia wiązki lasera.
Na zdjęciu: nanolitografia XNUMXD
W przeciwieństwie do standardowych technik litograficznych, które służą do tworzenia procesorów i pracy z cienkimi warstwami materiałów, polimeryzacja dwufotonowa pozwala na tworzenie złożonych struktur trójwymiarowych. Na przykład tak:
Kolejne pomieszczenie laboratorium wykorzystywane jest do eksperymentów optycznych.
Znajduje się tam duży, prawie dziesięciometrowy stół optyczny, wypełniony licznymi instalacjami. Głównymi elementami każdej instalacji są źródła promieniowania (lasery i lampy), spektrometry i mikroskopy. Jeden z mikroskopów posiada jednocześnie trzy kanały optyczne - górny, boczny i dolny.
Można go używać do pomiaru nie tylko widm transmisyjnych i odbiciowych, ale także rozpraszania. Te ostatnie dostarczają bardzo bogatych informacji o nanoobiektach, na przykład charakterystyki widmowej i wzorców promieniowania nanoanten.
Na zdjęciu: efekt rozpraszania światła na cząsteczkach krzemu
Cały sprzęt znajduje się na stole z jednym systemem tłumienia drgań. Promieniowanie dowolnego lasera można przesłać do dowolnego układu optycznego i mikroskopu za pomocą zaledwie kilku zwierciadeł i badania można kontynuować.
Laser gazowy o fali ciągłej o bardzo wąskim widmie umożliwia prowadzenie eksperymentów . Wiązka laserowa skupiana jest na powierzchni próbki, a widmo rozproszonego światła rejestrowane jest za pomocą spektrometru.
W widmach widoczne są wąskie linie odpowiadające nieelastycznemu rozpraszaniu światła (wraz ze zmianą długości fali). Piki te dostarczają informacji o strukturze krystalicznej próbki, a czasami nawet o konfiguracji poszczególnych cząsteczek.
W sali zainstalowany jest także laser femtosekundowy. Jest w stanie generować bardzo krótkie (100 femtosekund – jedna dziesięciobiliardowa sekundy) impulsy promieniowania laserowego o ogromnej mocy. Dzięki temu otrzymujemy możliwość badania nieliniowych efektów optycznych: generowania podwójnych częstotliwości i innych fundamentalnych zjawisk nieosiągalnych w warunkach naturalnych.
Nasz kriostat znajduje się również w laboratorium. Umożliwia pomiary optyczne z tego samego zestawu źródeł, ale w niskich temperaturach - do siedmiu Kelvinów, co w przybliżeniu równa jest -266°C.
W takich warunkach można zaobserwować szereg unikalnych zjawisk, w szczególności reżim silnego sprzężenia światła z materią, kiedy foton i ekscyton (para elektron-dziura) tworzą pojedynczą cząstkę - ekscyton-polaryton. Polarytony są bardzo obiecujące w dziedzinie obliczeń kwantowych i urządzeń o silnych efektach nieliniowych.
Na zdjęciu: mikroskop sondujący INTEGRA
W ostatnim pomieszczeniu laboratorium umieściliśmy nasze przyrządy diagnostyczne - и . Pierwsza pozwala uzyskać obraz powierzchni obiektu z dużą rozdzielczością przestrzenną i zbadać skład, strukturę i inne właściwości warstw powierzchniowych każdego materiału. W tym celu skanuje je skupioną wiązką elektronów przyspieszanych wysokim napięciem.
Mikroskop z sondą skanującą robi to samo, używając sondy skanującej powierzchnię próbki. W tym przypadku możliwe jest jednoczesne uzyskanie informacji o „krajobrazie” powierzchni próbki oraz o jej lokalnych właściwościach, np. potencjale elektrycznym i namagnesowaniu.
Na zdjęciu: skaningowy mikroskop elektronowy S50 EDAX
Przyrządy te pomagają nam scharakteryzować próbki do dalszych badań optycznych.
Projekty i plany
Jeden z głównych projektów laboratorium związany jest z hybrydowe stany światła i materii w materiałach kwantowych – wspomniane już ekscytony-polarytony. Tematowi temu poświęcony jest megagrant Ministerstwa Edukacji i Nauki Federacji Rosyjskiej. Projektem kieruje czołowy naukowiec z Uniwersytetu w Sheffield, Maurice Shkolnik. Prace eksperymentalne nad projektem prowadzi Anton Samusev, a część teoretyczną prowadzi profesor Wydziału Fizyki i Technologii Ivan Shelykh.
Pracownicy laboratorium badają także sposoby przesyłania informacji za pomocą solitonów. Solitony to fale, na które dyspersja nie ma wpływu. Dzięki temu sygnały transmitowane za pomocą solitonów nie „rozchodzą się” w trakcie propagacji, co pozwala zwiększyć zarówno prędkość, jak i zasięg transmisji.
Na początku 2018 roku naukowcy z naszej Uczelni oraz koledzy z uniwersytetu we Włodzimierzu model lasera terahercowego na ciele stałym. Osobliwością tego rozwoju jest to, że promieniowanie terahercowe nie jest „opóźniane” przez przedmioty wykonane z drewna, tworzyw sztucznych i ceramiki. Dzięki tej właściwości laser znajdzie zastosowanie w obszarach kontroli pasażerów i bagażu do szybkiego wyszukiwania metalowych przedmiotów. Kolejnym obszarem zastosowania jest renowacja starożytnych obiektów sztuki. Układ optyczny pomoże uzyskać obrazy ukryte pod warstwami farby czy ceramiki.
W planach mamy wyposażenie laboratorium w nowy sprzęt umożliwiający prowadzenie jeszcze bardziej skomplikowanych badań. Na przykład zakup przestrajalnego lasera femtosekundowego, który znacznie poszerzy zakres badanych materiałów. Pomoże to w zadaniach związanych z chipy kwantowe dla systemów komputerowych nowej generacji.
Jak działa i żyje Uniwersytet ITMO:
Źródło: www.habr.com