Физики Нового физтеха ИТМО представили новаторское ультратонкое устройство, утраивающее частоту световых волн. Рекордная результативность генерации третьей гармоники достигнута с помощью 20-нанометровой пленки на основе халькогенидного сплава германия, сурьмы и теллура (GST). Эта миниатюрная система излучает в широком спектре без резонаторов, демонстрируя эффективность в 100-1000 раз выше аналогов. Разработка, поддержанная грантом РНФ и программой "Приоритет 2030", открывает перспективы для микроскопии живых тканей без окрашивания и новых квантовых коммуникаций, — отмечает аспирант Даниил Литвинов и научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Артем Синельник.
Уменьшаем длину волны: как работает процесс
Генерация гармоник — ключевой нелинейно-оптический феномен, сокращающий длину световой волны при взаимодействии луча со специальными материалами. Кратность уменьшения определяет гармонику: двукратное дает вторую, трехкратное — третью. Яркий пример: инфракрасный луч (1064 нм) после второй гармоники становится видимым зеленым светом (532 нм), а после третьей — ультрафиолетовым (341 нм).
Зачем нужна третья гармоника: применение в науке
Третья гармоника незаменима в биофотонике и инновационной медицине. Сверхкороткие УФ-импульсы вызывают естественное свечение тканей и клеток, позволяя визуализировать их структуру на лазерных микроскопах без использования красителей.
Проблема эффективности: как решают сейчас
Несмотря на важность, создание эффективных УФ-источников третьей гармоники — сложная задача. Индустрия применяет громоздкие многоволновые системы (до полуметра), где зеленый луч и исходный лазер смешиваются в кристалле. Их КПД критически низок — лишь 2-3%. Усилия научных групп, включая специалистов Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники», сосредоточены на наноразмерных метаповерхностях, но их показатели также оставляют желать лучшего.
Решение от ИТМО: рекорд в миниатюре
Прорывная разработка Нового физтеха ИТМО – не просто решение проблемы, а гигантский скачок вперед. Пленка GST неприхотлива к резонансам, генерирует широкий спектр и обеспечивает рекордную для наноустройств эффективность. Использование этого материала знаменует появление нового класса оптических компонентов для микроскопии будущего и фотонных процессоров.
Революционный прорыв в генерации гармоник!
Команда учёных Нового физтеха ИТМО в сотрудничестве с коллегами из Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники» достигла впечатляющего успеха! Им удалось создать компактный и переключаемый источник третьей гармоники, чья эффективность феноменальна – она превышает показатели аналогичных нанометровых устройств в поразительные 100–1000 раз! Основу этого прорыва составляют передовые тонкопленочные структуры из халькогенидного сплава германия, сурьмы и теллура (Ge2Sb2Te5 или GST). Этот материал, известный своими революционными возможностями в DVD-технологиях и оптической памяти, демонстрирует уникальное свойство фазовой памяти. Воздействие лазера позволяет легко переключать пленки GST между аморфным и кристаллическим состояниями, кардинально изменяя их оптические характеристики.
Секрет эффективности: Мощь без сложных резонаторов
«Хотя для генерации третьей гармоники традиционно применяются различные 2D-материалы или метаповерхности, их эффективность, даже с применением резонансных наноструктур для усиления, обычно невелика – в диапазоне от 10⁻¹¹ до 10⁻⁷, – комментирует Артем Синельник, научный сотрудник Нового физтеха ИТМО и руководитель исследования. – Наше решение, уникальная тонкая пленка на основе сплава GST, кардинально меняет правила игры! Благодаря своим невероятным свойствам, она обеспечивает генерацию третьей гармоники без нанорезонаторов в 100–1000 раз эффективнее других миниатюрных устройств, использующих резонаторы. В аморфной фазе эта пленка демонстрирует впечатляющую эффективность преобразования 9×10⁻⁶, открывая доступ к широкому диапазону видимого спектра от фиолетового до оранжевого (349–615 нм). При переключении в кристаллическую фазу оптические свойства тонко меняются, и генерация плавно ослабевает почти до нулевого уровня».
Заменяя сложное простым и ультратонким!
Невероятная эффективность устройства объясняется не только материалом, но и его выдающейся компактностью. Сама активная пленка имеет толщину всего 20 нанометров! В комплекте с подложкой вся конструкция достигает лишь 180–200 микрометров, что сравнимо с толщиной человеческого волоса. Это значительное превосходство над аналогами.
«Толщина конкурирующих устройств на базе метаповерхностей обычно составляет 400–600 нанометров, – с энтузиазмом отмечает соавтор работы, аспирант Нового физтеха ИТМО Даниил Литвинов. – Наши пленки – всего 20 нанометров! При этом толщина является ключевым фактором эффективности: чем тоньше пленка в аморфном состоянии, тем мощнее генерация гармоник. Такой выдающийся параметр не только обеспечивает превосходство, но и идеально соответствует прогрессивным мировым трендам на миниатюризацию прикладной электроники и фотоники!»
Уверенный шаг к созданию устройств нового поколения
Уникальные свойства GST-пленок открывают широкие перспективы для создания компактных, высокоэффективных и перестраиваемых оптических устройств. Блестящая комбинация беспрецедентной эффективности генерации гармоник (в 100-1000 раз выше аналогов!), волшебства фазовых переходов под лазерным импульсом и рекордной компактности (всего 20 нм активного слоя) делает эту разработку фундаментом для прорывных технологий в оптической связи, обработке информации и создании микроскопических датчиков следующего поколения. Будущее оптики выглядит светлым и ультратонким!
Прорывной источник света для микроскопии и квантовых технологий
Компактное и невероятно эффективное устройство для генерации третьей гармоники открывает новые горизонты! Оно способно заменить несколько источников излучения в лазерных сканирующих микроскопах, что значительно повысит качество и разрешение получаемых изображений. Это настоящий шаг вперед в исследовании микромира!
Сверхбыстрая оптика для кодирования будущего
Уникальная особенность устройства позволяет использовать генерацию гармоники как революционный метод кодирования информации. Все зависит от фазы пленки: аморфное состояние генерирует гармонику (это единица!), а кристаллическое – нет (это ноль!). Самое впечатляющее – скорость! Ученые подтверждают возможность переключения между этими фазами до миллиона раз за невероятно короткое время – всего 10 наносекунд. Эта фантастическая способность открывает перспективы для создания фотонных интегральных схем нового поколения, предназначенных для молниеносной обработки оптических сигналов в системах квантовой коммуникации.
Данное перспективное исследование получило поддержку в рамках программы «Приоритет 2030» и гранта РНФ №24-72-10038.
Источник: scientificrussia.ru
