Ученые создали настраиваемые плазмонные лазеры из квантовых точек
Ученые из Швейцарской высшей технической школы Цюрихапредложили новый тип плазмонных лазеров с резонаторами из квантовых точек. Использование такого типа резонатора позволяет настраивать длину волны возбуждаемого поверхностного плазмона и значительно увеличивает его интенсивность и монохроматичность. Работа опубликована в Science Advances.
Поверхностные плазмоны — квазичастицы, которые представляют собой волны электронной плотности, возникающие на поверхности металла. Возникать поверхностный плазмон может, например, при взаимодействии электронной плазмы внутри вещества с внешним излучением. Подробнее о плазмонах и других квазичастицах вы можете прочитать в нашем материале из цикла «Квантовая азбука».
В 2003 году была предложена концепция устройства, которое может создавать когерентные поверхностные плазмоны, подобно тому, как лазер делает это с фотонами. Назвали такое устройство плазмонным лазером или спазером (от англ. Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Интенсивность поверхностных плазмонов в таких устройствах значительно меньше, чем у светового пучка, создаваемого лазером, зато его можно намного точнее сфокусировать. Это делает такие устройства крайне перспективными для использования при литографии с наноразрешением или в качестве сенсоров отдельных молекул.
Впервые работающий спазер был создан в 2009 году. Он представлял собой золотую наночастицу, покрытую оболочкой из кремния. Сейчас ученые из Швейцарской высшей технической школы Цюриха в качестве металлической основы спазера предложили использовать тонкую пленку серебра, а в качестве оптического резонатора — квантовые точки. Как и в лазере, оптический резонатор в спазере представляет собой систему, которая благодаря многократному переотражению позволяет увеличить интенсивность плазмона. Использование квантовых точек в качестве элемента резонатора эффективно из-за того, что они могут поглощать свет, переизлучая его потом в виде монохроматического сигнала в видимой и ультрафиолетовой части спектра, длину волны которого можно изменять, меняя состав или размер квантовой точки.
В своей работе при создании оптического резонатора для спазера ученые использовали квантовые точки сложного состава: ядро полупроводниковых частиц из селенида кадмия было покрыто двумя оболочками: из сульфида кадмия и сульфида цинка. Такая сложная структура помогает контролировать длины излучаемого света и уменьшить ширину пика излучения. В своей работе ученые использовали три типа квантовых точек: с длиной волны излучения 602, 625 и 633 нанометров, что соответствует цвету от желтого до красного.
Квантовые точки наносились на кремниевую подложку, покрытую тонким слоем серебра, в виде полосы длиной 10 микрон и шириной 2 микрона. Толщина полосы составляла от 7 до 16 слоев, так, что суммарная толщина резонатора была от 100 до 400 нанометров. С двух сторон полоса ограничивались блоками из серебра большей толщины, которые отражали поверхностные плазмоны, увеличивая время их жизни внутри резонатора.
При облучении такой системы лазером излучение поглощается квантовыми точками и возбуждает поверхностный плазмон в слое серебра. Поверхностный плазмон распространяется внутри полосы квантовых точек, при этом многократно отражаясь от вертикальных серебряных стенок такого резонатора. Это приводит к увеличению интенсивности плазмона, которую дополнительно можно увеличить, изменяя интенсивность и тип возбуждающего излучения.
Если же один из блоков из серебра сделать в форме вытянутого треугольника, то сигнал спазера можно сфокусировать и направить в необходимую точку. Такой элемент работает в качестве волновода и переносит поверхностный плазмон в вершину этого треугольника.
Если же такой фокусирующий элемент дополнительно покрыть тонким слоем квантовых точек, то можно еще увеличить интенсивность плазмона.
По словам ученых, предложенная конфигурация спазера является крайне перспективной для создания очень чувствительных сенсоров, например, для биологических молекул. Использовать поверхностные плазмоны, которые возбуждаются в металлических наночастицах можно и для других целей: недавно ученые предложили механизм, который позволяет с помощью них направлять лазером поток жидкости. Кроме этого, плазмонный резонанс может использоваться и в методах анализа: так, например, его можно использовать для точного определения конформации сложных молекулярных структур.
Александр Дубов
Он распался на кислород <sup>24</sup>O и четыре нейтрона
Японские физики синтезировали самый тяжелый на сегодняшний день изотоп кислорода 28O с магическим числом и нейтронов, и протонов. Он оказался нестабильным, несмотря на предсказанные для него магические свойства, и моментально распадался на четыре нейтрона и кислород 24O. По мнению авторов статьи в Nature, эти результаты указывают на сложную структуру нейтронной оболочки 28O с близкими по энергии возбужденными состояниями. Стабильность изотопов физики описывают разными теоретическими моделями. В частности, некоторые из них предсказывают высокую стабильность изотопов с определенным — магическим — числом протонов и нейтронов. Для протонов магическими являются числа Z = 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126, а для нейтронов — числа N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. В атомах с такими числами нейтронные и протонные оболочки ядра полностью заполнены, а основное и возбужденные состояния сильно отличаются по энергии — это приводит к повышенной стабильности ядра. Особенно устойчивыми являются дважды магические ядра, в которых одновременно заполнены и протонная, и нейтронная оболочки — например, самый распространенный изотоп кислорода 16O. Для кислорода также известны более тяжелые изотопы с большим количеством нейтронов. Все они, начиная с 19O и заканчивая 26O, неустойчивы. При этом, согласно теоретическим представлениям, дважды магическое ядро 28O может быть устойчивым, хотя оно и содержит очень большое количество нейтронов. Тем не менее получить этот изотоп до сих пор не получалось. Впервые синтезировать кислород 28O удалось физикам под руководством Ёсуке Кондо (Yosuke Kondo) из Института физико-химических исследований RINKA в Японии. Для этого ученые облучали вращающуюся мишень из бериллия 9Be пучком ядер кальция 48Ca. При этом получались разные легкие ядра, из которых с помощью спектрометра физики отсеяли ядра фтора 29F и направили их на мишень из жидкого водорода. При этом из фтора образовались изотопы кислорода 27O и 28O. Далее, с помощью спектрометров физики смогли детектировать продукты их быстрого распада — нейтроны и кислород 24O. Рассчитанная учеными энергия распада составила 0,5 мегаэлектронвольта для 28O и 1,09 мегаэлектронвольта для 27O. Исходя из того, что энергия распада 27O и 25O больше, чем у 28O, физики сделали вывод, что изотоп 28O разложился ступенчато — сначала образовался изотоп 26O и два нейтрона, а затем 26O превратился в 24O и еще два нейтрона. Далее, физики провели расчеты нуклонной структуры 28O на основе теории χEFT (chiral effective field theory) и метода связанных кластеров (coupled-cluster method). Расчеты показали, что нестабильность ядра 28O связана с нестандартным расположением его нейтронных оболочек, которое приводит к заселению возбужденных состояний ядра с низкой энергией (intruder states). В результате физики впервые получили изотоп кислорода 28O и провели теоретические расчеты, объясняющие его нестабильность нестандартной структурой нейтронных оболочек. Тем не менее, прямые доказательства немагичности нейтронной структуры 28O еще предстоит найти. Ранее мы рассказывали о том, как физики получили самый тяжелый изотоп кальция.