Сотрудники Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) разработали и создали плазмонный интерферометр терагерцевого диапазона – прибор, который с высокой точностью способен определять оптические свойства материалов. Эта актуальная научно-технологическая задача позволит быстрее перейти в область терагерцевых частот в сфере телекоммуникаций. Терагерцевые частоты, в отличие от широко используемых СВЧ, способны передавать с большей скоростью больший объем данных, до 1 Тбит/с. Разработанный физиками плазмонный интерферометр уникален – для изучения оптических свойств металлов и полупроводников, на основе которых создаются интегральные компоненты для систем беспроводной связи, используются не классические электромагнитные волны, а поверхностные плазмон-поляритоны. Эта разновидность не излучаемой в пространство электромагнитной волны распространяется по поверхности материала вместе с волной свободных зарядов, которая способна более точно характеризовать поверхностные свойства изучаемых образцов на глубине скин-слоя. Интерферометр успешно протестирован на Новосибирском лазере на свободных электронах (ЛСЭ), входящем в инфраструктуру ЦКП «Сибирский центр синхротронного и терагерцевого излучения» (ЦКП СЦСТИ). Результаты опубликованыexternal link, opens in a new tab в журналах Instruments and Experimental Technichs и Applied Sciences.
Современные устройства передачи и обработки сигналов, например, 4G, работают на сверхвысоких частотах (СВЧ). Средний объем передачи и скорость обработки данных в этом микроволновом диапазоне в зависимости от класса устройств варьируется от 0.5 до 100 Гбит в секунду. Чтобы увеличить этот параметр специалисты осваивают терагерцевый (ТГц) диапазон. Разрабатываемые в настоящее время телекоммуникационные устройства ТГц диапазона, в том числе системы беспроводной связи, такие как 6G, смогут увеличить это значение до 1 Тбит/с.
«И это только одна из областей применения терагерцевых волн, – рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Василий Герасимов. – ТГц диапазон привлекателен для биологии и медицины. Например, за рубежом активно развивается диагностика офтальмологических заболеваний и онкологических заболеваний кожи при помощи ТГц волн. Прозрачность большинства пластиков, бумаги и тканей для ТГц излучения позволяет использовать его для обнаружения скрытых предметов, что актуально для систем безопасности. Терагерцевые телескопы используются для изучения реликтового космического излучения, что позволяет получать больше информации о ранних этапах жизни Вселенной. Использование терагерцевой спектроскопии позволяет диагностировать и исследовать различные новые материалы, в том числе наноразмерных масштабов».
Актуальные исследования физиков ИЯФ СО РАН нацелены на изучение материалов, из которых возможно создавать так называемые планарные интегральные пассивные и активные плазмонные схемы, в которых сигнал передается в виде поверхностных электромагнитных волн – плазмон-поляритонов. При проектировании таких схем необходимо знать оптические свойства металл-диэлектрических и полупроводниковых поверхностей, на которых они создаются. Для этой задачи специалисты разработали и создали плазмонный интерферометр Майкельсона, работающий в ТГц диапазоне.
«Плазмон – это фактически колебания ансамбля электронов, а поляритон – это фотон, квант электромагнитного излучения. Получается, что плазмон-поляритон – это связанный комплекс из классической электромагнитной волны и волны зарядов (электронов или ионов), который не излучается поверхностью в пространство, а двигается вдоль нее, – объясняет Василий Герасимов. – Плотно прилегая к поверхности проводника, такая волна на очень небольшую глубину (порядка десятка нанометров) проникает в материал, поэтому свойства плазмон-поляритонов, а значит энергоэффективность плазмонных схем и качество передаваемой с их помощью информации, сильно зависит от оптических свойств приповерхностного слоя материала и его покрытий, из которых делаются интегральные схемы. И тут встает задача – а какие материалы использовать? Многие стандартные материалы: металлы, полупроводники хорошо исследованы (даже в терагерцевом диапазоне), но только сделано это с помощью классических спектроскопических методов с использованием объемного излучения, взаимодействующего с исследуемой средой. Получаемые данными методами результаты несут информацию в основном об объемных свойствах материала, а не о поверхностных, которые важны для плазмоники. Экспериментально изучить оптические свойства материала при помощи поверхностной волны и получить более точную информацию о характеристиках образца довольно сложно. Во-первых, нужен достаточно мощный, стабильный и перестраиваемый по частоте источник ТГц излучения, а, во-вторых, необходимо решить многие экспериментальные проблемы».
Ученым ИЯФ СО РАН совместно с группой из Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН (НТЦУП РАН, г. Москва), которые в самом начале явились инициаторами данных исследований, удалось справиться со многими задачами благодаря целенаправленной систематической работе и полученному экспериментальному опыту, а также наличию в инфраструктуре Института Новосибирского лазера на свободных электронах. Мощный терагерцевый ЛСЭ является одной из главных пользовательских установок ЦКП «СЦСТИ». Средняя мощность излучения этого лазера в ТГц диапазоне является рекордно большой в мире, и, по-видимому, останется такой в ближайшее время. По спектральной плотности мощности излучения Новосибирский ЛСЭ в области частот 0.8-10 ТГц на несколько порядков превосходит все существующие в мире источники.
«Многие отечественные и зарубежные научные группы занимались исследованиями в области ТГц плазмоники в 70 – 2000-х гг., но прекратили, так как столкнулись с большими экспериментальными сложностями. Поэтому наши работы в данной области можно считать пионерскими, – добавляет Василий Герасимов. – Впрочем, у нас это заняло очень много времени. Мы начали вести фундаментальные исследования плазмон-поляритонов в терагерцевом диапазоне вместе с сотрудниками НТЦУП РАН более десяти лет назад, и только первые несколько лет мы учились генерировать поверхностную ТГц волну и отделять ее от классической электромагнитной волны. На сегодняшний день мы умеем генерировать плазмоны, управлять их распространением и характеристиками, изучили, как эти характеристики зависят от оптических свойств, шероховатости и геометрии поверхности. Таким образом, из фундаментальных работ по исследованию свойств поверхностных плазмон-поляритонов, по кирпичикам, получилось разработать уникальное оборудование – плазмонный интерферометр Майкельсона ТГц диапазона частот».
Оптическая схема полной установки из двух интерферометров, одним из которых является плазмонныйВ. ГерасимовВ основе данного устройства лежит классическая схема интерферометра Майкельсона. На нем американский физик Альберт Майкельсон впервые наиболее точно измерил длину волны света в 1887 г. В отличие от классической схемы физики ИЯФ СО РАН использовали вместо электромагнитных волн поверхностный плазмон-поляритон, который и является носителем информации. На данный момент разработанный и апробированный на ТГц излучении Новосибирского лазера на свободных электронах плазмонный интерферометр продемонстрировал возможность решения поставленных задач, а именно – изучения оптических свойств поверхности материалов и тонких пленок.
«Нам повезло, что у нас есть ЛСЭ, – рассказывает Василий Герасимов. – Характеристики лазера на свободных электронах ИЯФ СО РАН – монохроматичность и когерентность излучения и, что важно, высокая средняя мощность, аналогов которой в мире нет, позволили нам пройти многие трудности и препятствия. И теперь, апробировав интерферометр на мощном лазере, исследовав и подобрав оптимальные режимы работы установки, узнав многое о плазмонах, мы можем работать с менее мощными источниками ТГц излучения, практически настольными, тем самым расширив практическое применение данного метода. Апробация проходила на металлических пленках, которые напыляются на подложку методом магнетронного распыления у нас же в ИЯФ СО РАН. Мы не только измерили оптические свойства пленок, но и выяснили, что от технологии их напыления, материала и шероховатости подложки, сильно зависят оптические свойства материала. Теперь эту информацию могут использовать и наши коллеги, так как металлические пленки используются при изготовлении рентгеновских зеркал для ЦКП “Сибирский кольцевой источник фотонов”. В настоящее время проводится измерение оптических констант нового композитного материала на основе графеновых наночастиц, нанесенного в виде пленок толщиной 1-400 нм методом 2D-печати (производства Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН). Но в целом наш интерферометр может использоваться для исследований тонкопленочных материалов для любой области применения терагерцевых частот, о которых говорилось выше».