CC BY
54
Свет, фотоника и жизнь
Мир состоит из вещей и полей. Вещи (от атома до яблока) можно взвесить, потрогать. Стоимость пересылки рассчитает почтальон пропорционально весу и расстоянию. Поля проявляют себя через взаимодействия вещей и в то же время существуют независимо от них, распространяясь на огромные расстояния. Излучение, испущенное далекой звездой, достигнет наших глаз через тысячи лет, даже если звезда за это время исчезнет с небосклона. Свет, его свойства, рождение и взаимодействие с веществом являются предметом оптики как раздела физики.
лт -это электромаг-vy.DC 1 нитные волны, занимающие весьма узкую нишу в их общем спектре, простирающемся от радио- до рентгеновских волн и гамма-излучения. Лишь ничтожно малая часть этого спектра используется человеком для зрительного восприятия. Полоса частот видимого излучения покрывает менее одной октавы, то есть их самые высокие и самые низкие значения отличаются менее чем в два раза. Для сравнения укажем, что слышимые нами звуковые частоты занимают 10 октав и самая высокая слышимая частота в 1 тыс. раз выше самой низкой. Возможно, это свойство наших органов чувств связано
Сергей Гапоненко,
заведующий лабораторией нанооптики Института физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, академик
с тем, что мы производим звуки, но не генерируем свет. Поэтому широкий диапазон звуковых частот нам необходим для передачи тонких оттенков наших эмоций друг другу. Мы говорим, поем и играем на музыкальных инструментах, создавая потоки акустических волн, однако мы не светимся и не посылаем друг другу световые сигналы, а лишь пассивно воспринимаем излучение, порожденное солнцем и другими источниками, которое рассеивается на окружающих нас предметах, делая их видимыми для наших глаз. При этом свет -главный носитель информации для человека. Благодаря зрению мы получаем основную часть сведений об окружающем мире.
Высокие технологии рождаются высокой наукой. Современные ноу-хау возникают на стыке нескольких направлений и обобщают достижения глобального научного сообщества. Оптические технологии зародились тысячи лет назад. Сначала люди начали делать первые зеркала, затем появились линзы, в XIII в.- очки, далее в ХУ1-ХУ11 вв.- зрительные трубы, телескопы, бинокли и микроскопы. Естественно, что эти приборы выполняли функцию пассивного «усиления» нашего зрения. В XIX в. изобретено первое оптическое устройство записи информации - фотоаппарат.
В XX в. произошло слияние оптики с электроникой. Оно началось с создания детекторов -фотоэлектронных умножителей и фоторезисторов. Важным этапом стало создание электролюминесцентных источников света (1927 г.). Затем в 1960 г. возникли лазеры - квантовые генераторы электромагнитного излучения, основанные на синтезе оптических свойств сильновозбужденных материалов (оптика) и положительной обратной связи (радиофизика). Генератор света - лазер - поро-
дил новое направление науки и технологий - квантовую электронику. Все лазеры, кроме химических, в конечном счете получают энергию «от розетки», то есть являются электронно-оптическими устройствами.
Развитие электроники привело к революции в средствах связи и обработки информации. Появились радиосвязь и электронные вычислительные машины - компьютеры. Синтез оптики и электроники в последние десятилетия многократно усилил коммуникационные возможности электронных устройств. Среди многочисленных примеров количественного и качественного совершенствования средств связи и обработки данных в результате синтеза электроники и оптики можно назвать изобретение кино и телевидения, создание плоских телевизоров и дисплеев, Интернет и телефонию через оптические кабели, «тач-скрины» -интерактивные контактные панели-экраны в компьютерах и телефонах, цифровые фото-и видеокамеры, аудио- и видеозаписи на оптических дисках. Наконец, концепция операционной системы Windows, превратившей ЭВМ из технического аппарата в интерактивное персональное устройство хранения данных и общения,-это тоже синтез оптических и электронных технологий. Таким образом, применение достижений электроники к оптическим приборам позволило человечеству выйти за границы эволюционно обусловленного пассивного оптического «видения» и перейти к активному использованию оптического канала наших органов чувств для общения человека с человеком и человека с машиной. Слияние оптики с электроникой обеспечило общение машин между собой (роботы и Интернет вещей).
Как символ перехода от простейших зрительных приборов к сложным и разнообразным применениям оптико-электронных устройств возникла фотоника. Это раздел науки на стыке многих направлений и объединение в единую систему разнообразных технологий, в основе которых лежат исследование, преобразование, получение, применение оптического излучения, примерно от ближнего инфракрасного (5-10 мкм) до ближнего ультрафиолетового (0,2-0,3 мкм) диапазонов, включая и видимую область спектра с длиной волны 0,4-0,7 мкм.
Фотоника присутствует в нашей жизни не только тогда, когда мы включаем лампочку или телевизор. Передача информации по оптоволокну в телефонной связи и сети Интернет, запись, хранение и чтение данных с помощью оптических дисков, обработка деталей на производстве (резка, плавление, упрочнение), создание новых материалов с помощью фотостимулированных процессов (например, в случае стоматологических фотопломб или 3Б-принтеров на основе фотополимеризации) - примеры фотоники в нашей жизни.
Эту область в последние 10-20 лет не обошло стороной движение вперед нанотехноло-гий. Синергетическое совместное развитие и «перекрестное оплодотворение» химии, молекулярной физики, физики твердого тела, оптики, электроники привело к формированию нанофо-тоники - области науки и техники, где оптика и электроника взаимодействуют на масштабе от 1-10 (длина волны электрона в полупроводнике) до 100-200 (длина волны света в полупроводнике) нанометров. Управление электронными волнами (квантовая механика), а также световыми волнами (волновая оптика), взаимодействие света и вещества в нанометровом масштабе (кван-
Тема номера
товая электродинамика) создают научную базу нанофотоники, а тонкая химия (атомно-моле-кулярная инженерия), физика твердого тела и молекулярная физика формируют ее материальную основу. Электроника помогает от простейших (в смысле первичных, элементарных, но вовсе не простых!) актов поглощения и испускания света пе-
рейти к сенсорам, светодиодам, солнечным элементам и лазерам на наноструктурах. Вызовом для глобального научного сообщества был и остается фотосинтез - сложное преобразование световой энергии в молекулярную, позволяющее растениям и некоторым бактериям синтезировать органические вещества из углекислого газа и воды.
Нанофотоника - это физика и техника электронных и световых волн, пространственно ограниченных в наноструктурах. Вспомним, что физика и техника пространственно ограниченных упругих волн -это музыкальная акустика. Музыкальные инструменты -это генераторы, резонаторы, волноводы и фильтры звуковых
Фотоника присутствует в нашей жизни не только тогда, когда мы включаем лампочку или телевизор. Передача информации по оптоволокну в телефонной связи и сети Интернет, запись, хранение и чтение данных с помощью оптических дисков, обработка деталей на производстве, зубная фотопломба и 30-принтер -примеры фотоники в нашей жизни. От свечи до светодиода и лазера, от зрительной трубы до систем оптической связи, от простейших линз до РУО-проигрывателей, от первых фотоаппаратов до будущих квантовых компьютеров - так фотоника, объединив оптику, лазерные технологии и электронику, позволила перейти от пассивного восприятия мира с помощью света к активному применению света для общения человека с человеком, человека с вещами (машинами) и вещей (машин) между собой.
Свет и световые технологии
волн (длина волны - от нескольких сантиметров у флейты пикколо до нескольких метров у органных труб). Нанофото-ника в своей сущности - это резонаторы и фильтры для электронных волн (длина порядка 1-10 нм), а также генераторы, фильтры, волноводы и резонаторы электромагнитных волн (длина примерно 100-300 нм). В этом разделе фотоники новые устройства во многом используют принципы акустики, но в пространственном масштабе нанометрового диапазона и с добавлением квантовых явлений, не имеющих аналогов в мире звуков. Во многом конструирование современных компонентов в нанофотонике сходно с конструированием музыкальных инструментов. Ключевыми понятиями являются слова «резонанс», «волны», «колебания», «волноводы». Эти лирико-романтические пассажи - не плод творческого воображения автора данных строк, а прямое следствие удивительной внутренней гармонии природы: стационарные состояния звуковых колебаний, световых волн и электронов описываются одним и тем же по форме математическим выражением, которое в акустике и оптике называют уравнением Гельмгольца, а в квантовой физике - уравнением Шредин-гера. Музыка пространственно ограниченных электронных и оптических колебаний - вот квинтэссенция нанофотоники. Сегодня оптические наноинже-неры конструируют квантовые ямы - «ящики» сложной формы для электронов - почти так же тщательно, как старинные мастера оттачивали оптимальную форму гитары или скрипки.
Нанофотоника уже принесла и продолжает приносить реальную пользу на практике. Много лет работают в конкретных устройствах лазеры
на квантоворазмерных структурах, а полупроводниковые светодиоды с использованием квантовых ям (Нобелевская премия по физике 2014 г.) в ближайшие 10-15 лет приведут к глобальному переходу от ламп накаливания и газоразрядных люминесцентных ламп к полностью твердотельному освещению. Светодиодные лампы белого свечения уже доступны на полках наших магазинов. Сверхтонкая фокусировка излучения с помощью наноструктур в оптических устройствах записи-хранения данных обещает повышение плотности записи информации. В современной нанофотонике молекулярная физика и химия все активнее конкурируют с физикой твердого тела и традиционными «кристальными» технологиями, в которых создание оптоэлектронных компонентов начинается с роста больших высококачественных кристаллов. В последние 10 лет все громче заявляет о себе альтернативный подход, при котором вместо массивных кристаллов используются коллоидные наноструктуры. На наших глазах рождается коллоидная оптоэлектроника - новая технологическая платформа, позволяющая производить устройства (лазеры, светодиоды, фоточувствительные матрицы и солнечные элементы) без применения сложных и дорогих процессов роста крупных кристаллов, нанолитографии и вакуумного осаждения.
Конструирование свойств материалов на масштабе выше атомного (0,1 нм), но ниже оптического (100 нм) привело к появлению новых материалов, оптические свойства которых не имеют аналогов в природе. Например, все природные вещества либо сильно отражают свет (в частности, металлы), либо частично поглощают и отра-
жают (полупроводники), либо не поглощают его (диэлектрики). Новые синтетические материалы могут в одном направлении вести себя как металлы, а в других - как диэлектрики.
В истории фотоники от древнего мира до новейших нанотехнологий удивительным остается то, что глубинные вопросы о первичных событиях рождения света атомами и превращения энергии излучения в энергию атомов, которые осуществляются в результате обмена фотонами между веществом и излучением, до сих пор являются предметом исследований и дискуссий. Очевидное-невероятное: в то время как фотоника дарит миру один за другим новые приборы и устройства, сам фотон - квант света, воспринимаемый как частица (или скорее, минимальная «порция») света, как физическая сущность остается во многом загадочным объектом. Альберт Эйнштейн, получивший Нобелевскую премию за теорию фотоэффекта, положившую в 1905 г. начало представлениям о том, что свет поглощается порциями - квантами, в 1954 г. писал: «Все эти 50 лет постоянных раздумий не приблизили меня к ответу на вопрос «Что такое световые кванты?». Сегодня каждый Том, Дик и Харри думают, что знают ответ, однако они ошибаются». Уже в современный период, в 1995 г. нобелевский лауреат в области квантовой электродинамики Виллис Лэмб сказал: «Излучение не состоит из частиц». Квантовая оптика - раздел фотоники, анализирующий тончайшие нюансы взаимоотношений вещей и полей в оптике, а ее развитие может принести миру новое великое изобретение - квантовые компьютеры. Но это уже совсем другая история. СИ
