Фотограф: Анастасия Максименко
Привычная нам кремниевая электроника подходит к своему физическому пределу. Будущее высокоскоростной передачи данных и вычислений лежит не в управлении электронами, а в управлении светом на наномасштабах — нанофотонике. Революция началась с открытия графена, первого материала толщиной всего 1 атом. Это событие открыло дверь в «плоский мир» двумерных (2D) структур, обладающих невероятными свойствами.
В ответ бурному развитию новых технологий в 2016 году был открыт Центр фотоники и двумерных материалов МФТИ. Сегодня центр объединяет 10 лабораторий, в которых ученые не просто исследуют новые материалы, но и конструируют из них будущее. Уровень исследований подтверждается международным признанием: в структуре центра работают три лаборатории, созданные в рамках программы мегагрантов под руководством ведущих мировых ученых.
Алексей Большаков, директор Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ: «Одна из задач центра — научиться удерживать, направлять и детектировать свет на наномасштабе. Это ключ к созданию оптических чипов, которые будут в сотни раз меньше и гораздо энергоэффективнее современных аналогов. Для этого мы используем материалы с экстремально высоким показателем преломления и анизотропией.
Высокий показатель преломления позволяет буквально „сжать” световую волну. А анизотропия — свойство материала по-разному реагировать на свет в зависимости от направления — дает нам дополнительный рычаг для управления световым потоком».
Цифровой алхимик: предсказание свойств
В «плоском мире» существуют тысячи потенциальных двумерных материалов. Комбинируя их, можно получить практически бесконечное число структур. Искать нужные свойства методом проб и ошибок — неэффективно и слишком долго. Поэтому, прежде чем экспериментаторы приступят к синтезу, в дело вступают теоретики.
Фактически, работа над новым материалом начинается в лаборатории компьютерного дизайна материалов под руководством Ивана Круглова. Здесь ученые используют суперкомпьютеры и алгоритмы искусственного интеллекта для предсказания свойств материалов, которые еще не созданы в лаборатории.
Этот «цифровой скрининг» позволяет радикально сузить круг поиска. Алгоритмы анализируют стабильность, электронные, магнитные и оптические характеристики тысяч кандидатов, выявляя наиболее перспективные для конкретной научной или прикладной задачи — будь то создание сверхбыстрого оптического переключателя или эффективного сенсора.
Атомный конструктор: рождение материала
Далее уже экспериментаторы приступают к реальному синтезу перспективных структур на основе двумерных слоев в лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов. Передовые исследования часто начинаются с простого «метода скотча». С помощью липкой ленты ученые отшелушивают от объемного кристалла тончайшие слои — «флейки», толщиной 1 атом или несколько.
Затем начинается ювелирная работа по сборке «атомного конструктора» (вандерваальсовых гетероструктур). Используя высокоточные манипуляторы под микроскопом, ученые переносят эти флейки один на другой в строгом порядке.
«Мы создаем своеобразный микро-бутерброд, комбинируя слои с разными свойствами, например диэлектрик, проводник, диэлектрик,— рассказывает инженер Иван Домарацкий. — Ключевое здесь — идеальная чистота и точность совмещения кристаллических осей. После сборки мы отправляем структуру в „чистую зону” для формирования контактов и приданию устройствам правильной геометрии».
«При сборке приборов на двумерных материалах мы пользуемся и теоретическими предсказаниями, и наработанной экспериментальной интуицией, но прежде всего — целевым индустриальным приложением итогового устройства. Подборка материалов будет совершенно разной для детектора терагерцового диапазона и для быстродействующего транзистора. После того как первая конструкция на основе отшелушенных флейков экспериментально подтверждает свою перспективу, мы переходим к изготовлению устройств на основе масштабируемых промышленно выращиваемых двумерных пленок»,— рассказал о работе заведующий лаборатории Дмитрий Свинцов.
Увидеть невидимое: характеристика и тестирование
Создание образца — только половина дела. Главное — понять, совпали ли предсказания теоретиков с реальностью. Для этого в центре собран арсенал мощнейших инструментов.
В лаборатории контролируемых оптических наноструктур образцы исследуют методом рамановской (комбинационной) спектроскопии. Лазерный луч взаимодействует с кристаллической решеткой, и по рассеянному свету ученые определяют структуру материала.
«Это как отпечатки пальцев,— объясняет Надежда Белозерова, старший научный сотрудник лаборатории. — Каждый спектр уникален. Мы можем мгновенно определить химический состав, качество материала и даже точно подсчитать число атомных слоев в нашем образце».
Топография с точностью до атома
С помощью атомно-силовой микроскопии сотрудники центра определяют морфологию поверхности кристалла, число и толщину полученных слоев.
«Установка исследует образец с помощью острейшей иглы (зонда), которая ощупывает его поверхность и точно отслеживает рельеф,— отметил старший научный сотрудник Дмитрий Якубовский. — В итоге мы получаем трехмерную картину на микроуровне с точностью до нанометра».
Визуализация света
Понимание взаимодействия света с материалом — ключ к фотонике. В лаборатории нанооптики и плазмоники ученые измеряют, как новые двумерные материалы отражают свет с разной поляризацией, определяя их оптические константы и степень анизотропии.
«Обычно мы заранее знаем предсказанные теоретические свойства материалов. А в нашей лаборатории мы фактически проверяем эти предсказания измерив оптику материала»,— отвечает аспирант лаборатории Николай Пак.
Здесь же находится одно из самых передовых устройств центра — сканирующий ближнепольный оптический микроскоп (СБОМ). Оно позволяет преодолеть фундаментальное ограничение оптики — дифракционный предел, и буквально увидеть, как электромагнитная волна распространяется по наноразмерным волноводам. Это критически важно для разработки реальных фотонных устройств.
«Здесь мы исследуем волноводы с характерными размерами сечения несколько десятков нанометров, это рекордные показатели, сравнимые с электронными аналогами, которые недостижимы для таких традиционных материалов, как германий и кремний. Рекорды стали возможными благодаря использованию таких материалов, как гексагональный нитрид бора и дихалькогениды переходных металлов»,— рассказал аспирант лаборатории Дмитрий Грудинин.
В лаборатории двумерных материалов и наноустройств также уделяют большое внимание оптическим свойствам новых материалов.
«С помощью уникального визуализирующего эллипсометра мы можем локально, буквально на масштабах единиц микрометров изучать оптику самых необычных материалов. Это не только классические двумерные материалы, но и перовскиты, максены, различные одномерные структуры. Измерения, выполненные нами, включены в международные справочники оптических констант материалов»,— прокомментировал аспирант Михаил Татмышевский.
Ученые определяют, как материал отражает световые волны разной поляризации и на основании этих результатов получают две линии на диаграмме, которые показывают отношение интенсивности и фаз для отраженного света. Эти данные позволяют определить показатель преломления, а значит, еще раз подтвердить свойства образца.
Экстремальные условия и новые формы
Некоторые квантовые эффекты проявляются только при сверхнизких температурах. Для таких исследований в лаборатории физики магнитных гетероструктур и спинтроники создана уникальная установка, собранная молодым инженером-исследователем Федором Максимовым.
«Основная идея этой установки напоминает универсальный конструктор LEGO: множество отдельных элементов позволяют подстроить любую ее часть под определенное, но не типичное измерение. Чаще всего при критически низких температурах, например около 4 градусов Кельвина, то есть –269,15 градуса Цельсия»,— отметил Федор Максимов.
Но исследования не ограничиваются планарными структурами. В центре также развивают технологии создания компактных сферических наночастиц из слоистых материалов.
«Современные вызовы фотоники и наномедицины, как, например, полупроводниковые нанорезонаторы и фототермические агенты, требуют контроля размера и формы наноматериалов,— комментирует Андрей Ушков, старший научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники. — При этом во многих сценариях применений необходим быстрый, химически чистый синтез частиц размерами в десятки нанометров, чего мы добиваемся методом фемтосекундной лазерной абляции».
Метод заключается в облучении слоистого материала высокоинтенсивными лазерными импульсами, длительность которых настолько мала, что вырывает с поверхности ионы материала, а сама мишень не успевает нагреться. Каждый такой лазерный импульс создает плазменный факел, который схлопывается и конденсируется в наночастицы за миллионные доли секунды.
От фундаментальной науки к индустрии
Центр фотоники и двумерных материалов МФТИ — это уже целая экосистема, объединяющая исследования, образование и технологии.
Центр участвует в реализации образовательной программы на кафедре физики и технологии наноструктур ЛФИ. Студенты с ранних курсов вовлекаются в реальные научные проекты мирового уровня.
Исследования, проводимые в центре, имеют огромный прикладной потенциал, и ученые стремятся перейти от фундаментальных открытий к созданию прототипов устройств.
