Нанофотонный переворот. Молодая наука может кардинально изменить нашу жизнь

Дмитрий Федянин Автор

Фото Science Source / Omikron / Diomedia

Stub — Фото Science Source / Omikron / Diomedia

Солнечные батареи, жесткие диски и лечение рака: какие изобретения появятся благодаря открытиям в нанофотонике

С момента изобретения микроскопа Антони ван Левенгуком 300 лет оптика развивалась в рамках парадигмы, которую можно описать одним словом «наблюдать». Расширялась теоретическая база, росли технические возможности, разрабатывались новые инструменты, однако, по-прежнему, единственной целью было создание более совершенных инструментов наблюдения, будь то телескопы для изучения далеких галактик или микроскопы для исследования микрообъектов.

Настоящий переворот произошел в 60-е годы XX века с появлением первых лазеров. Буквально за 10 лет выяснилось, что возможности оптики гораздо шире, чем считалось ранее. Мировое научное сообщество было настолько впечатлено новыми возможностями, которые может дать свет, что выделило их в отдельную область — фотонику. Результатами этого фотонного переворота мы пользуемся ежедневно уже почти полвека: это интернет, кузова автомобилей и фюзеляжи самолетов сваренные лазером, DVD и Blu-Ray диски, лазерные принтеры, дальномеры, прицелы и системы наведения, сверхточные гироскопы, лазерная коррекция зрения и хирургия, лазерные пушки, а еще много других менее заметных вещей, которые окружают нас каждый день. Сегодня мы становимся свидетелями второго — нанофотонного — переворота в оптике, результаты которого могут стать не менее впечатляющими, чем первого. Еще рано говорить о всех возможных последствиях, подобно тому, как в 1960 году никто не подозревал, насколько большой эффект будет иметь создание лазера, но совершенно достоверно можно сказать, что нанофотонные технологии уже начинают входить в нашу жизнь незаметно для нас.

К началу 2000-х годов стремительный прогресс в производственных технологиях, прежде всего электроники, открыл возможность создавать структуры с характерными размерами в несколько десятков или даже единиц нанометров. Это величины в десятки и сотни раз меньшие, чем длина волны видимого света (400-650 нанометров). Они находятся за так называемым дифракционным пределом, дальше (ниже) которого размеры, казалось бы, уже не должны оказывать существенного влияния на оптический свойства. Однако вскоре выяснилось, что это не так. Исследования в данном направлении, которые в XX веке были просто невозможны ввиду неспособности работать на таких масштабах, показали, что миниатюризация фотонных устройств открывает путь к новым эффектам и концептуально новым устройствам, которые были невозможны ранее и которые имеют ряд преимуществ перед аналогами, работающими на основе других физических принципов.

Оптоэлектронные микропроцессоры

Эти открытия сразу же заинтересовали индустрию. Так, например, компания IBM, которая стояла у истоков создания первых полупроводниковых лазеров, но к 2000-м распродала абсолютно все свои оптические подразделения, запустила крупный проект по кремниевой нанофотонике. Его целью является замена части привычных электронных компонентов, отвечающих за передачу данных внутри процессора, на фотонные, что позволит увеличить пропускную способность каждого соединения вплоть до 10000 раз, а это, в свою очередь, приведет к созданию высокопроизводительных процессоров с несколькими тысячами ядер на одном кристалле. При этом производительность будет расти почти линейно с ростом числа ядер. Помимо IBM над этой задачей активно работают основные игроки на рынке суперкомпьютеров и высокопроизводительных серверов — HP и Oracle, — а также другие гиганты в области полупроводниковой индустрии. Первые серверные процессоры использующие нанофотонные технологии и насчитывающие несколько сотен ядер общего назначения мы должны увидеть на рынке уже в ближайшие 2-3 года.

Кроме крупных индустриальных компаний в создании новых нанофотонных технологий активно участвуют стартапы в США и Европе. Им удается привлекать десятки миллионов долларов, несмотря на то, что они не производят материального продукта и не пишут компьютерные программы. Это не смущает инвесторов, так как они уверены в том, что в перспективе 10 лет прибыль может на порядки превзойти вложения. Главным продуктом в данном случае являются новые технологии как таковые — по своей сути рецепты создания новых, не имеющих себе равных устройств, зафиксированные в патентах. Разработка таких ‘рецептов’ требует больших затрат на оборудование и материалы, поэтому центры создания технологий будущего находятся главным образом в университетах. Значительную часть расходов при этом неявно берут на себя государства, финансируя исследования через различные фонды. Однако, для трансфера результатов этих исследований в индустрию усилий одних только университетов не достаточно. Обычно это происходит или путем создания стартапа на основе группы исследователей из одного или нескольких университетов, или индустриальная компания начинает свои собственные разработки на основе тех фундаментальных знаний, которые получены в университете. Есть еще третий путь, который позволяет наиболее быстро достичь результата. Индустриальная компания входит в тесное взаимодействие с лабораторией в университете и целенаправленно финансирует интересные ей исследования. Это позволяет компании удешевить разработку за счет того, что используется университетское оборудование, и ускорить ее, так как над проектом работают высококвалифицированные исследователи. При этом в проекте удается задействовать и тех людей, которые могли не согласиться работать в компании по ряду своих причин. Именно такой подход позволил Seagate получить ряд патентов и выйти в лидеры среди производителей жестких дисков.

Нанофотонные магнитные жесткие диски

Это очень удивительная история, еще 20 лет назад никто не мог себе представить, что фотоника может конкурировать с другими технологиями, когда речь заходит о миниатюризации. Но оказалось, что при помощи металлических наноструктур свет можно сконцентрировать в пятно размером около 70 нанометров. Это в 12 раз меньше, чем длина волны используемого при этом лазера и в 6 раз меньше, чем может дать идеальная оптическая линза. Таким образом, можно создать нанофотонную записывающую головку для магнитного жесткого диска. Процесс записи при этом максимально прост и основан на процессах нагревания за счет поглощения света и охлаждения. Это открывает путь к созданию жестких дисков с более высокой плотностью информации, которые, к тому же, будут еще и быстрее работать, а их габариты будут меньше. Мы могли бы увидеть такие устройства, которые внешне, конечно, не отличишь от обычных жестких дисков, разве что по маркировке, уже совсем скоро. Однако сейчас спрос пользователей пока удовлетворяется старыми технологиями, а в условиях глобальной рыночной экономики не стоит ожидать выход на потребительский рынок новых технологий, которые нужно еще внедрить, до тех пор, пока старые приносят стабильную прибыль.

Солнечный батареи

Не нужно, однако, думать, что новые нанофотонные технологи обязательно очень дороги. При определенных обстоятельствах их априори высокая стоимость, за счет необходимости наноструктурирования, в конечном счете может уменьшить цену устройства. Задача эквивалентна вопросу, что лучше 3 стандартные фермы по производству молока или одна нестандартная ферма, которая в 3 раз дороже, но дает на выходе молока в 5 раз больше. Сегодня стандартные фотоэлектрические преобразователи делаются на основе монокристаллического кремния. Чтобы удешевить солнечную энергетику и ставить солнечные батареи на все крыши домов, нужно или удешевить материал (например, использовать аморфный кремний), но тогда падает эффективность и такого материала требуется больше, или, наоборот, увеличить эффективность, пусть и ценой использования более дорого материала, но при этом можно выиграть за счет уменьшения количества этого материала. Именно над этим сейчас бьются ученые при разработке солнечных батарей. В развитых странах на эти исследования ежегодно выделяются десятки миллиардов долларов. Зачастую дизайн предлагаемых нанофотонных фотоэлектрических преобразователей настолько сложен, что сразу можно сделать вывод об их коммерческой неэффективности. Однако, иногда такие выводы не столь очевидны. Например, вырастив лес из тонких полупроводниковых нанонитей можно использовать в 100 раз меньше кремния при той же эффективности, и подобная технология вскоре может незаметно войти в нашу повседневную жизнь, ведь на вид это будет все та же черно-фиолетовая пластина.

Матрицы: перезагрузка

С помощью наноструктурирования можно создавать новые поверхности с одной стороны аналогичные уже существующим, с другой — с новыми свойствами, отличными от свойств объемных и слоистых материалов. Представим ковш и сделанное из этого ковша решето. С одной стороны в решете можно носить, например, килограмм яблоки, но вот набрать в него литр воды, как в ковш, уже не получится. С наноструктурированными поверхностями дело обстоит подобным образом, только эффект более тонкий и интересный. Создав из сверхтонкой металлической пленки структуру с характерными размерами много меньше длины волны света (например, проделав наноразмерные дырки в пленке), можно заставить ее фильтровать оптическое излучение. Получается что-то вроде инстаграм-фильтра. Если на квадратной полупроводниковой площадке размером в несколько микрон разместить 4 квадрата из металла, два из который пропускают только зеленый свет, один — синий, и один — красный, то получится пиксель матрицы цифровой фотокамеры. Процесс производства крайне прост и дешев — нужно все лишь нанести тонкую металлическую пленку толщиной несколько десятков нанометров и сделать в ней на каждом участке свои дырки. Каждый участок будет пропускать свой цвет, хотя пленка без дырок все цвета полностью отражает. Сейчас же для достижений той же цели каждую площадку, размер которой в самых современных матрицах меньшей одного микрометра, покрывают относительно толстым слой органического соединений с красителем, причем для каждой площадки нужно свое вещество. Таким образом, простая в изготовлении нанофотонная поверхность может значительно упростить и удешевить производство фотоаппаратов, видеокамер и смартфонов.

«Оптическая микроволновка» и лечение рака

Нанофотоника может нести прямую коммерческую выгоду, но в первую очередь, это, безусловно, новые возможности. Вероятно через несколько лет химио- и радиотерапия может превратиться в крайнюю меру лечения рака, и медики будут использовать ‘оптическую микроволновку’. Если ввести в организм вблизи опухоли или непосредственно в саму опухоль золотые наночастицы и светить в область опухоли лазером, то лазер не будет оказывать влияние на здоровые ткани, в то время как наночастицы будут сильно поглощать свет и нагреваться. Подобно тому как микроволновка нагревает молекулы воды, лазер нагревает наночастицы. Самое главное, что это можно делать локально, не воздействуя на соседние ткани, где нет наночастиц. Такой метод позволяет поднять температуру настолько, чтобы убить опухоль, и сегодня исследования уже добрались до стадии клинических испытаний. Это становится возможным благодаря нанофотонным эффектам. Энергия электромагнитной волны, т.е. света, «собирается» с достаточно большого объема вблизи наночастицы и это дает возможность нагревать значительный объем при помощи относительно небольшого количества наночастиц.

Обнаружение одиночных молекул

Локализация света в фотонных наноструктурах дает возможность усилить взаимодействие света с веществом. Это свойство напоминает принцип работы больших антенн — собирать энергию с большого пространства и сконцентрировать ее в малом. Используя нанофотонные антенны, можно добиться интересных результатов — усиления отклика при взаимодействии с очень маленькими объемам вещества. Чувствительность устройства в этом случае настолько велика, что позволяет регистрировать даже одиночные молекулы. Сегодня на данном принципе уже разрабатываются наноразмерные детекторы газов. Вообще, нанофотонный подход позволяет создавать различные типы сенсоров под разные задачи вплоть до диагностики заболеваний по одиночным молекулам белков, содержащихся в выдыхаемом нами воздухе.

Сложно перечислить все предлагаемые сегодня концепты и устройства на принципах нанофотоники. Еще сложнее сказать, где и как именно нанофотоника кардинально изменит нашу жизнь через 10 или 20 лет, но в научном сообществе есть вера в то, что это обязательно должно произойти. При этом, стоит отметить, что Россия в научном отношении не является заметно отсталой страной. В МФТИ, ИТМО и МГУ есть лаборатории — точки роста — возникшие в последние 5-10 лет практически на ровном месте. Они на 99% состоят из молодые исследователей и студентов, которые постоянно предлагают новые идеи и концепты, будь то электрические плазмонные нанолазеры, кремниевые оптические наноантенны или медная нанофотоника. Однако пока мы не видим интереса в трансфере этих идей в индустрию ни со стороны государственных компаний, ни со стороны частного бизнеса. Отсутствие как минимум среднесрочных инвестиций, на 5-10 лет, и практической востребованности вновь толкает ученых к поиску мест, где они могли бы реализовать свои идеи и амбиции. Будет очень обидно, если Россия в очередной раз станет лишь потребителем нанофотнных технологий.