Раніше ми показували наш и . Сьогодні ви зможете переглянути оптичну лабораторію фізико-технічного факультету Університету ІТМО.
На фото: тривимірний нанолітограф
Лабораторія низькорозмірних квантових матеріалів відноситься до науково-дослідного центру нанофотоніки та метаматеріалів () на базі .
Її співробітники займаються властивостей : плазмонів, екситонів та поляритонів. Ці дослідження уможливлять створення повноцінних оптичних і квантових комп'ютерів. Лабораторія розбита на кілька робочих зон, що покривають усі етапи роботи з низькорозмірними квантовими матеріалами: підготовку зразків, їх виготовлення, характеризацію та оптичні дослідження.
Перша зона обладнана всім необхідним для підготовки зразків .
Для їх очищення встановлено ультразвукове миття, а щоб забезпечити безпечну роботу зі спиртами, тут обладнано потужну витяжку. Деякі матеріали для досліджень нам постачають партнерські лабораторії у Фінляндії, Сінгапурі та Данії.
Для стерилізації зразків у приміщенні стоїть сушильна шафа BINDER FD Classic.Line. Нагрівальні елементи усередині нього підтримують температуру від 10 до 300°C. Він має USB-інтерфейс для постійного моніторингу температури протягом експерименту.
Цю камеру співробітники лабораторії використовують для проведення стрес-тестів і випробувань проб на старіння. Такі експерименти необхідні, щоб зрозуміти, як поводяться матеріали та пристрої за певних умов: стандартних та екстремальних.
У сусідньому приміщенні встановлено тривимірний нанолітограф. Він дозволяє фабрикувати тривимірні структури розміром кілька сотень нанометрів.
Принцип його роботи побудовано явище двофотонної полімеризації. По суті, це 3D-принтер, який використовує лазери для формування об'єкта рідкого полімеру. Полімер твердне тільки в тій точці, на якій сфокусувався лазерний промінь.
На фото: тривимірний нанолітограф
На відміну від стандартних методів літографії, які використовуються для створення процесорів та працюють з тонкими шарами матеріалів, метод двофотонної полімеризації дозволяє створювати складні тривимірні структури. Наприклад, такі:
Наступне приміщення лабораторії використовується щодо оптичних експериментів.
Там встановлений великий оптичний стіл завдовжки майже десять метрів, наповнений численними установками. Головні елементи кожної установки - джерела випромінювання (лазери та лампи), спектрометри та мікроскопи. Один із мікроскопів має відразу три оптичні канали — верхній, бічний та нижній.
На ньому можна вимірювати не тільки спектри пропускання та відображення, а й розсіювання. Останні дають дуже багату інформацію про нанооб'єкти, наприклад спектральних характеристик і діаграми спрямованості наноантен.
На фото: ефект розсіювання світла на кремнієвих частках
Все обладнання розташоване на столі із єдиною системою придушення вібрацій. Випромінювання будь-якого лазера можна відправити на будь-яку з оптичних систем та мікроскопів за допомогою всього кількох дзеркал та продовжити дослідження.
Газовий лазер безперервного випромінювання з дуже вузьким спектром дозволяє проводити експерименти з . Лазерний промінь фокусується на поверхні зразка, а спектр розсіяного світла реєструється спектрометром.
У спектрах спостерігаються вузькі лінії, що відповідають непружному розсіюванню світла (зі зміною довжини хвилі). Ці піки дозволяють отримати інформацію про кристалічній структурі зразка, інколи ж навіть про конфігурацію окремих молекул.
Також у приміщенні встановлено фемтосекундний лазер. Він здатний генерувати дуже короткі (100 фемтосекунд – одна десятитриліонна частина секунди) імпульси лазерного випромінювання з величезною потужністю. В результаті ми отримуємо можливість досліджувати нелінійні оптичні ефекти: генерацію подвоєних частот та інші фундаментальні явища, які недосяжні в природних умовах.
У лабораторії також стоїть наш кріостат. Він дозволяє проводити оптичні вимірювання з тим же набором джерел, але при низьких температурах – до семи Кельвінів, що приблизно дорівнює -266 °C.
У таких умовах може спостерігатися низка унікальних явищ, зокрема режим сильного зв'язку світла з речовиною, коли фотон і екситон (електрон-діркова пара) утворюють єдину частинку — екситон-поляритон. Поляритони мають великі перспективи в областях квантових обчислень та пристроїв із сильними нелінійними ефектами.
На фото: зондовий мікроскоп INTEGRA
В останньому приміщенні лабораторії ми розмістили наші діагностичні прилади. и . Перший дозволяє отримувати зображення поверхні об'єкта з високою просторовою роздільною здатністю та дослідити склад, будову та інші властивості приповерхневих шарів кожного матеріалу. Для цього він сканує їх фокусованим пучком електронів, розігнаних високою напругою.
Скануючий зондовий мікроскоп робить те саме за допомогою зонда, який сканує поверхню зразка. При цьому можна одночасно отримувати інформацію і про «ландшафт» поверхні зразка, і про його локальні властивості, наприклад, електричний потенціал і намагніченість.
На фото: скануючий електронний мікроскоп S50 EDAX
Ці прилади допомагають нам характеризувати зразки щодо подальших оптичних досліджень.
Проекти та плани
Одним із головних проектів лабораторії пов'язаний з гібридних станів світла та матерії у квантових матеріалах — вже згаданих вище екситон-поляритонів. Цій тематиці присвячено мегагранту Міністерства освіти і науки Російської Федерації. Проект ведеться під керівництвом провідного вченого з Університету м. Шефілд, Моріса Школяра. Експериментальні роботи щодо проекту веде Антон Самусєв, а теоретичною частиною керує професор фізико-технічного факультету Іван Шелих.
Також співробітники лабораторії вивчають засоби передачі інформації за допомогою солітонів. Солітони - це хвилі, не схильні до впливу дисперсії. Завдяки цьому сигнали, що передаються за допомогою солітонів, не «розпливаються» у міру поширення, що дозволяє збільшити швидкість і дальність передачі.
На початку 2018 року вчені нашого Університету та колеги з вузу у Володимирі модель твердотільного терагерцового лазера Особливість розробки в тому, що терагерцеве випромінювання не затримується предметами з дерева, пластику та кераміки. Завдяки цій властивості лазер знайде застосування у зонах огляду пасажирів та багажу – для швидкого пошуку металевих об'єктів. Інша сфера застосування — реставрація стародавніх предметів мистецтва. Оптична система допоможе отримувати зображення, приховані під шарами фарби чи кераміки.
У планах у нас оснастити лабораторію новим обладнанням, щоб проводити ще складніші дослідження. Наприклад, докупити фемтосекундний лазер, що перебудовується, що дозволить істотно розширити коло досліджуваних матеріалів. Це допоможе у завданнях, пов'язаних з квантових чіпів для обчислювальних систем наступного покоління
Як працює і чим живе Університет ІТМО:
Джерело: habr.com