Ученые НИТУ «МИСиС» в составе международной научной группы смогли увидеть внутреннюю структуру одних из самых перспективных материалов XXI века — фотонных кристаллов. Работа опубликована в журнале Small.
Фотонные кристаллы — идеальные материалы для управления световым лучом. Они уже несколько лет назад могли бы стать основой для производства оптических процессоров. Если бы не одно «но». Как и у многих материалов, чьи свойства очень сильно зависят от структуры, у фотонных кристаллов есть проблема воспроизводимости. Точнее говоря, ни у кого пока не получалось создать два достаточно больших и абсолютно одинаковых фотонных кристалла.
Дефекты двумерных фотонных кристаллов, которые состоят только из поверхности, ученым отследить удалось при помощи методов электронной микроскопии. А с объемными фотонными кристаллами возникла проблема. Не существовало методики, которая бы позволила исследовать внутренности не обычных кристаллов, в которых упорядоченность возникала на уровне десятых нанометра, а в веществах, где порядок возникал на уровне десятков и сотен нанометров. Поиском такого способа и занялись исследователи.
«Инженер лаборатории „Сверхпроводящие метаматериалы“ НИТУ „МИСиС“ Илья Беседин в составе международной группы ученых из Германии, Нидерландов и России впервые показал, что существует метод неразрушающего анализа внутренней структуры веществ, которую нельзя увидеть при помощи обычного рентгеновского излучения, — рассказала ректор НИТУ „МИСиС“ Алевтина Черникова. — Новый способ поможет созданию микропроцессоров для оптического компьютера. Неслучайно работа опубликована в Small — одном из самых цитируемых журналов мира в области биотехнологий, биоматериалов и междисциплинарного инжиниринга».
Как рассказал Илья Беседин, их группа под руководством профессора НИЯУ МИФИ Ивана Вартанянца применила к фотонным кристаллам недавно разработанную методику — птихографию. Суть методики заключается в том, что вещество просвечивается рентгеновским излучением строго определенной волны (когерентным). Источники такого излучения называются синхротронами, и группа для своих экспериментов обосновалась на синхротроне третьего поколения самого большого центра по исследованию физики частиц в Германии — DESY.
«Обычным рентгеновским излучением можно просканировать либо макроскопические, либо очень упорядоченные структуры, — рассказывает Илья Беседин. — В нашем же случае, для структур из шариков полистирола почти микронного размера, точность получаемого изображения будет даже хуже, чем на флюорографии. По крайней мере, одиночный объект меньше микрона различить уже не удастся».
Чтобы понять разницу в качестве обычного источника рентгеновских лучей и синхротрона, можно сопоставить костёр и светодиод. Первый светит в большом диапазоне частот и куда попало, а второй — на строго определенной частоте и в заданном направлении«. Благодаря такому качественному рентгену Илье Беседину и его коллегам удалось «увидеть насквозь» мезоскопическую структуру — именно так называются структуры веществ, в которых упорядоченность встречается только на расстоянии десятков и сотен нанометров. Но самое главное — у ученых получилось выявить внутренние дефекты мезоскопической структуры.
Как пояснил Илья Беседин, если кристалл идеальный, то луч может либо пройти сквозь него, либо отразиться. Но из-за дефектов луч отклоняется от прямой.
«Зная информацию о дефектах упаковки, мы можем понять логику, по которой меняется направление движения луча. — говорит ученый. — То есть, можно попытаться собрать на основе фотонных кристаллов логические схемы. Другое дело, что мы не способны контролировать образование этих дефектов, только попытаться уменьшить его на макроуровне».
"Фотонный кристалл — это как волновод для света, только лучше. Волновод практически нельзя сгибать. И фотонную микросхему на волноводах не сделаешь. А фотонный кристалл максимально подходит для создания интегральных оптических микросхем, в которых свет может распространяться туда, куда это нужно создателям«,— отметил Илья Беседин.
Именно поэтому основная ценность данной работы состоит в анализе внутренней структуры фотонных кристаллов при помощи птихографии, подчеркнул сотрудник НИТУ «МИСиС»:
«Мы показали, что теперь можем при помощи рентгеновского излучения видеть дефекты в периодической мезоскопической структуре. Следующий этап детализации — просвечивать такие структуры рентгеновским лазером. Это может дать ещё более точную картину внутренней структуры, но тут есть свои сложности. Лазерный луч по определению мощнее, чем просто исходящий из синхротрона. А при увеличении мощности многократно возрастает вероятность буквально за фемтосекунды разрушить исследуемую структуру, чего делать не хотелось бы. Птихография же позволяет изучить внутреннюю структуру кристалла, не разрушая его. Поэтому такая методика обязательно найдет свое применение».
