Наука - практике

В Научном центре прикладных исследований ОИЯИ для создания материалов с заданными свойствами найден один из путей получения и создания новых приборов и устройств, основанный на применении гетерогенных сред, содержащих наночастицы.

Гетеросреда представляет собой систему частей, каждая из которых гомогенна и различна по своим физическим и химическим свойствам. Наночастицы - это твердотельные объекты с характерным размером 10 - 100 нанометров и могут быть диэлектриками, металлами или полупроводниками, содержащими, тем не менее, тысячи миллиардов электронов. Хорошо известно, что "природная мастерская" скупа на материалы с большим показателем преломления, равным, например 10, и позволяющими достичь высокой квантовой эффективности, например 70-80 процентов для фотокатода фотоэлектронного умножителя, квантового выхода фотоэлемента около 90 процентов, когда мировое достижение сегодня составляет 34 процента, получить стекла пропускающие свет в любом заданном спектральном интервале и не пропускающие свет вне его.

Кроме этого, уже сейчас в НЦеПИ разработан также новый тип лазера - дипольный нанолазер - дающий узкую спектральную полосу излучения и не имеющий традиционного резонатора. Таким образом, возникают возможности создания новых элементов интегральных схем, таких как усилители, генераторы, а также емкости, сопротивления, индуктивности из тех же материалов, что и сама интегральная схема, и имеющие наноразмеры. Разработки продолжаются и уже приводят к созданию новых оптических элементов - зеркал, линз и т.п. В настоящее время авторы рассматривают возможность использования гетерогенной среды с наночастицами для создания логической ячейки квантового компьютера, основанного на реализации принципа суперпозиции состояний.

Современные технологии в области телекоммуникаций, новых источников энергии, микроэлектроники, квантовой логической ячейки, оптической обработки информации, метрологии основаны на методах, использующих электромагнитные поля - ЭМП (свет, инфракрасное, СВЧ излучения) для контроля, обработки, передачи информации, компьютинга, преобразования энергии. В этой связи чрезвычайно актуальны задачи об управлении, преобразовании и генерации ЭМП, в том числе в малых и сверхмалых (порядка десятков нанометров) объемах. Данные задачи решаются с помощью сред с новыми и наперед заданными оптическими, электронными и магнитными свойствам. Работы в НЦеПИ посвящены экспериментальному, теоретическому исследованию и технологии создания высокоэффективных электронных, магнитных и оптических приборов, устройств и материалов на основе гетерогенных сред (ГС), состоящих из матрицы - диэлектрика или полупроводника с металлическими, диэлектрическими, полупроводниковыми, ферромагнитными и ферроэлектрическими наночастицами, размеры которых много меньше длины волны падающего электромагнитного излучения. Используя различные материалы наночастиц и матрицы, добавляя в матрицу наночастицы различных размеров и форм, можно изменять линейную и нелинейную диэлектрическую проницаемость ГС в широких пределах и в заданном частотном диапазоне и получать ГС с новыми и заданными свойствами.

Физический механизм возникновения новых оптических свойств ГС - когерентное взаимодействие наночастиц-диполей между собой через ЭМП в матрице вблизи резонансов колебаний электронов наночастиц. Это взаимодействие приводит к многократному возрастанию электрической поляризации среды, ее отклика на приложенное ЭМП (так называемая "суперкогерентность" среды). Исследования авторов проекта показывают, что применение ГС с новыми оптическими свойствами, в основе которых лежит механизм "суперкогерентности", является универсальным методом решения самых разнообразных прикладных задач по управлению ЭМП (оптические и ИК фильтры, линзы и зеркала, оптические материалы с высоким показателем преломления, высокочастотные емкости, индуктивности, нелинейные и бистабильные оптические элементы). С помощью ГС возможно создание сверхминиатюрных генераторов когерентного ЭМП - нанолазеров, повышение эффективности преобразования энергии ЭМП в электрическую энергию (высокоэффективные фотокатоды, фотоэлементы и солнечные батареи), конструирование принципиально новых устройств обработки информации (квантовые логические ячейки, оптические логические блоки).

Экспериментальная часть работ включает практическое создание технологии изготовления гетерогенных сред с наночастицами с заданными свойствами. Параллельно с проведением экспериментов будут созданы детальные математические модели для минимизации затрат в экспериментах, достижения оптимальных результатов.

Уже сейчас реализация в индустрии России этих новых систем позволит модернизировать современную промышленность и создать устройства, приборы и материалы, рекордные по своим параметрам. Таким образом, уникальные прикладные и материаловедческие параметры и свойства гетерогенных сред с наночастицами скоро могут быть реализованы, и тогда недалек тот час, когда появится возможность изготавливать наноразмерные детали электронных приборов. Новые устройства и материалы, полученные на основе гетерогенных сред с наночастицами, могут привести к многоплановой технической революции.

Другим важным направлением работ, которое ведется в НЦеПИ, является создание установки для получения в лабораторных объемах сверхчистых редкоземельных элементов, таких как гольмий, лютеций, имеющих чистоту 99,99 процента. Для определения степени чистоты этих элементов в НЦеПИ применяется разработанный совместно с Санкт-Петербургским институтом физики рентгено-флюоресцентный спектрометр. Применение редкоземельных металлов в технологии создания гетерогенных сред с наночастицами, считают авторы, приведет к новым исследованиям в квантовой оптике и к новым результатам.

О. Займидорога,
И. Проценко,
В. Самойлов