Научная статья на тему 'Свет, фотоника и жизнь'

Свет, фотоника и жизнь Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
314
51
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Область наук

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Гапоненко Сергей

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Light, photonics and life

The article gives the analysis of the optical technologies development from the ancient times to the present days. In the focus is photonics and nanophotonics, their achievements and opportunities.

Текст научной работы на тему «Свет, фотоника и жизнь»

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

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.