Russian Academy of Sciences

Landau Institute for Theoretical Physics

Fiziki nauchilis’ sozdavat’ nanoigly dlya sverkhminiatyurnoi elektroniki pri pomoshchi lucha-bublika

31 May

Mezhdunarodnyi kollektiv fizikov, v kotoryi vkhodili sotrudniki Instituta teoreticheskoi fiziki (ITF) imeni Landau, pridumal sposob sozdavat’ sverkhtonkie – razmerom v neskol’ko desyatkov atomov – elementy dlya nanoelektroniki pri pomoshchi lazernykh luchei v forme bublika (vikhrevykh puchkov) iz vysokoenergichnykh fotonov. Tochnosti drugikh tekhnologii ne khvataet, chtoby poluchat’ podobnye struktury.

Nakhodka uchenykh (stat’ya s ee opisaniem opublikovana v zhurnale Applied Physics Letters) stala neozhidannym rezul’tatom issledovaniya drugoi temy: fiziki pytalis’ ponyat’, kak rentgenovskoe izluchenie postepenno razrushaet mnogosloinye zerkala, ispol’zuemye dlya ego fokusirovki. Takie zerkala neobkhodimy dlya sozdaniya apparatury pri pomoshchi kotoroi mozhno izuchat’ sverkhmalye ob’ekty. Krome togo, bez zerkal, fokusiruyushchikh zhestkoe izluchenie, nevozmozhno konstruirovat’ mikroskhemy s nanometrovymi elementami.

 

Segodnya razmer podbnykh elementov sostavlyaet 20 nm, i chtoby ikh umen’shit’, neobkhodimo ispol’zovat’ izluchenie s eshche men’shei dlinoi volny. «No takoi svet stanovitsya ochen’ zhestkim, i obychnoe steklo ni oklonit’ ni otrazit’ takie fotony ne mozhet, ono ikh pogloshchaet. Chtoby sfokusirovat’ luch, ispol’zuyut osobye zerkala, izgotovlennye iz neskol’kikh sloev razlichnykh materialov, – ob’yasnyaet Vasilii Zhakhovskii, vedushchii nauchnyi sotrudnik VNII avtomatiki imeni N.L. Dukhova i sotrudnik ITF imeni L.D. Landau. – Ot obychnogo zerkala otrazhaetsya neznachitel’naya dolya zhestkogo izlucheniya. V mnogosloinom zerkale proiskhodit usilenie otrazheniya za schet interferentsii ot raznykh sloev, i v itoge koeffitsient otrazheniya mozhet dostigat’ 70 %».

 

Odnako zhestkoe izluchenie, fotony kotorogo nesut bol’shuyu energiyu, neminuemo portit zerkalo. Chtoby ponyat’, kakie protsessy proiskhodyat s ego poverkhnost’yu, issledovateli «bombardirovali» zerkalo iz neskol’kikh sloev khroma i zolota vysokoenergeticheskimi fotonami pri pomoshchi lazera na svobodnykh elektronakh SACLA v Yaponii. V bolee rannikh rabotakh bylo pokazano, chto obychnyi luch (ego nazyvayut gaussovym, potomu chto intensivnost’ lucha raspredelena po gaussiane), imeyushchii maksimum yarkosti na tsentral’noi osi puchka, vybivaet iz zerkala neskol’ko sloev khroma i zolota, ostavlyaya na meste vozdeistviya kharakternyi krater – pokhozhii na te, chto ostavlyayut upavshie na Zemlyu meteority. V novom issledovanii fiziki ispol’zovali tak nazyvaemyi vikhrevoi luch (vortex beam), intensivnost’ kotorogo raspredelena po kol’tsu vokrug ego osi – to est’ yarkost’ takogo lucha raspredelena v forme bublika. Opticheskie vikhrevye luchi izvestny s 1990-kh godov, a vot rentgenovskii vikhrevoi luch udalos’ sozdat’ lish’ neskol’ko let nazad. V novoi rabote dlina volny lucha sostavlyala neskol’ko angstrem, do sikh por poluchit’ stol’ zhestkii vikhrevoi luch ne udavalos’.

 

Kogda eksperimentatory iz yaponskoi chasti kollektiva pod rukovodstvom Iosiki Komura obluchili zerkalo vikhrevym luchom, na poverkhnosti vmesto tipichnogo kratera obrazovalas’ kol’tsevaya vyemka s tonkoi mikroigloi, vozvyshayushcheisya v tsentre (sm. ris. 1). «Eto vyglyadelo neponyatnym, kak budto veshchestvo iz vyemki sobralos’ v tsentral’noi igle, tam gde intensivnost’ puchka byla ochen’ maloi, – govorit Zhakhovskii. – Chtoby ob’yasnit’ rezul’tat eksperimenta, my rasschitali traektorii vsekh atomov khroma i zolota, kotorye podverglis’ vozdeistviyu lucha – eto primerno 100 mln atomov». Takoe poatomnoe modelirovanie povedeniya sistemy nazyvaetsya metodom molekulyarnoi dinamiki.

Ris. 1. A. Krater s nanoigloi, ostavshiisya na poverkhnosti zerkala posle vozdeistviya lucha-"bublika" s intensivnost’yu impul’sa 1 mikrodzhoul’ (sleva) i 0,9 mikrodzhoulya (sprava).

B. (a) Fotografiya kratera, sdelannaya na skaniruyushchem elektronnom mikroskope (uvelichenie 20 000 raz). (b) S ispol’zovaniem fil’tra, propuskayushchego tol’ko izluchenie khroma. (c) S ispol’zovaniem fil’tra, propuskayushchego tol’ko izluchenie zolota.

 

Okazalos’, chto pri lazernom impul’se dlitel’nost’yu v neskol’ko pikosekund (pikosekunda – odna trillionnaya dolya sekundy) v meste naibol’shei intensivnosti puchka – to est’ po kol’tsu – rezko rastut temperatura i davlenie. «Davlenie dostigaet v pike 200 tysyach atmosfer – takie usloviya kharakterny dlya detonatsii nebol’shoi atomnoi bomby. Eto kolossal’noe davlenie voznikaet na neskol’ko pikosekund v ochen’ malen’kom prostranstve kol’tsa diametrom vsego 2 mikrometra, – rasskazyvaet Zhakhovskii. – V takikh ekstremal’nykh usloviyakh veshchestvo zerkala plavitsya i stremitsya rasshirit’sya. Odnako sloi raznykh metallov po-raznomu uchastvuyut v etom protsesse – potomu chto zoloto i khrom nagrevayutsya neodinakovo. Tak kak zoloto pogloshchaet v 4 raza bol’she rentgenovskikh fotonov, ono polnost’yu prevrashchaetsya v par, a khrom ostaetsya v zhidkom sostoyanii. V itoge temperatura khroma znachitel’no men’she, i ego sloi sokhranyayutsya v vide gibkikh plenok. Poluchaetsya chto-to pokhozhee na sil’no nakachannoe koleso, vnutri kotorogo pod elastichnoi pokryshkoi iz rasplava khroma nakhoditsya zolotoi par pod ogromnym davleniem».

 

Pri etom v tsentre pyatna vozdeistviya, gde intensivnost’ lucha blizka k nulyu, ostaetsya kholodnyi ostrov. Puzyr’ iz khromovoi plenki v vide kolesa prikreplen k nemu, i plenka styagivaetsya k osi nad ostrovom v protsesse rasshireniya puzyrya. V rezul’tate nad ostrovom obrazuetsya tonkaya struya iz chistogo khroma. Tak kak sloi progreva nebol’shoi, vsya sistema bystro ostyvaet, i struya zatverdevaet. V rezul’tate formiruetsya mikroigla. Esli uvelichit’ intensivnost’ impul’sa, khromovye plenki takzhe prevratyatsya v par i uletyat, i tsentral’naya igla budet sostoyat’ tol’ko iz zolota, podnyavshegosya iz bolee glubokikh sloev (sm. ris. 2).

Ris. 2. Mekhanizm obrazovaniya nanoigly, smodelirovannyi metodom molekulyarnoi dinamiki. Verkhnii ryad – pri intensivnosti impul’sa 1 mikrodzhoul’, nizhnii ryad – 2 mikrodzhoulya. Zheltym tsvetom na levoi polovine izobrazhenii pokazano zoloto, sinim – khrom. Na pravoi polovine krasnyi tsvet oboznachaet zhidkoe sostoyanie, zelenyi – tverdoe. Vidno, chto pri bOl’shei intensivnosti vozdeistviya verkhnie sloi khroma v nanoigle isparyayutsya, i ona okazyvaetsya sostavlena tol’ko iz zolota. primen’shei intensivnosti igla poluchaetsya "sloenoi".

 

Takim obrazom, uchenye ne tol’ko ob’yasnili, pochemu pri vozdeistvii vikhrevogo lucha lazera na zerkale obrazuyutsya miroigly, a ne kratery. Novaya rabota pokazala, chto, ispol’zuya lazer s neobychnym profilem lucha i mnogosloinye podlozhki, mozhno poluchat’ ves’ma slozhnye arkhitekturnye nanoelementy na poverkhnosti. «Gaussov luch prosto sozdaet na poverkhnosti krater, s ego pomoshch’yu nevozmozhno poluchat’ nanoelementy zadannykh form. Teoreticheski, mozhno vrashchat’ zerkalo, ispol’zuya gaussov luch kak pero, no na praktike dostich’ nuzhnoi tolshchiny pera i tochnosti vrashcheniya nevozmozhno. A profilirovannye luchi mogut rabotat’ kak tipografskie ottiski: oni srazu shtampuyut elementy sootvetstvuyushchei formy», – poyasnyaet Zhakhovskii. Opisannaya uchenymi tekhnologiya pozvolyaet proizvodit’ mikroskhemy s elementami tolshchinoi 2-4 nm, to est’ v neskol’ko atomov. Krome togo, reguliruya parametry lazernogo vozdeistviya, mozhno poluchat’ elementy razlichnogo khimicheskogo sostava.

 

Kak ob’yasnyaet issledovatel’, vychislitel’nyi metod molekulyarnoi dinamiki mozhno primenyat’ dlya modelirovaniya lyubykh mishenei, chtoby smotret’, kakie struktury budut poluchat’sya pri vozdeistvii luchei razlichnoi geometrii. Takoi podkhod pozvolit ekonomit’ ogromnye sredstva, kotorye potrebovalis’ by dlya provedeniya eksperimentov na uskoritelyakh. «Bolee togo, sam po sebe rezul’tat eksperimenta malo chto govorit nam o fizicheskikh protsessakh vyzvannykh ekstremal’nymi usloviyami v veshchestve posle luchevogo vozdeistviya. A dlya togo chtoby sozdavat’ elementy zadannykh form i khimicheskogo sostava, neobkhodimo ponimat’ eti protsessy detal’no».

 

Poluchennye v eksperimente na SACLA igly mozhno ispol’zovat’ uzhe segodnya: oni rabotayut kak nanoantenny i sverkhchuvstvitel’nye sensory. Esli raspolozhit’ nedaleko drug ot druga mnogo podobnykh elementov i vozdeistvovat’ na nikh slabym opticheskim luchom, na iglakh mnogokratno usilivayutsya elektricheskie polya. V rezul’tate voznikayut elektronnye volny – poverkhnostnye plazmony. Oni reagiruyut na poyavlenie poblizosti dazhe otdel’nykh molekul. Drugimi metodami dostich’ takoi chuvstvitel’nosti poka nevozmozhno.

 

«Podobnye makroskopicheskie «polya» elementov, razmer kazhdogo iz kotorykh sravnim s dlinoi volny padayushchego na nikh izlucheniya, nazyvayut metapoverkhnostyami, – poyasnyaet eshche odin soavtor raboty, doktor fiziko-matematicheskikh nauk, vedushchii nauchnyi sotrudnik sektora plazmy i lazerov ITF imeni L.D. Landau Nail’ Inogamov. – Ikh svoistva – koeffitsient otrazheniya, trenie, prochnost’ kataliticheskie kharakteristiki – kardinal’no otlichayutsya ot gladkoi poverkhnosti. Eto pozvolyaet sozdavat’ unikal’nye pribory. Naprimer, metapoverkhnosti s «nepravil’nym» koeffitsientom otrazheniya mogut sluzhit’ osnovoi nanosensorov, fotolyuminestsiruyushchikh v prisutstvii kakikh-to molekul ili vozdeistvii».

 

Rabota byla vypolnena pri podderzhke granta Rossiiskogo nauchnogo fonda (RNF) №14-19-01599.

 

Dogovorit’sya ob interv’yu s uchenymi, kommentariyakh i zaprosit’ dopolnitel’nuyu informatsiyu, v tom chisle polnyi tekst stat’i i video, na kotorom pokazano, kak formiruetsya nanoigla, mozhno po adresu: press@itp.ac.ru