Ученые нашли способ динамически искривлять фотонную струю

Ученые Томского политехнического университета вместе с зарубежными коллегами нашли простой способ динамически искривлять фотонную струю, превращая ее в фотонный крючок. Метод представлен в статье, опубликованной в журнале Optics Letters (IF: 3, 866; Q1). По словам авторов, обнаруженный эффект расширит потенциал применения фотонных струй и крючков, например, при манипулировании отдельными частицами в медико-биологических исследованиях или оптической литографии при создании микросхем.

Эффект фотонной струи был открыт в начале 2000-х годов. Струя представляет собой электромагнитную волну, сфокусированную у поверхности микросферы из кварцевого стекла, которая сама находится в фокусе линзы. У этой струи характерный поперечный размер — меньше дифракционного предела. Именно эта особенность сделала фотонную струю интересной для ученых. В результате на основе эффекта фотонной струи в 2011 году был предложен оптический микроскоп нового поколения — наноскоп. Он преодолел ограничения традиционных оптических микроскопов с их максимальным разрешением в 200 нанометров и позволил рассмотреть объекты размером в 50 нанометров. 

В 2015 году ученые ТПУ предложили новый тип искривленного светового луча на основе фотонной струи — фотонный крючок. Получать такой луч значительно проще, чем известные аналоги. Для получения фотонного крючка нужна лишь микрочастица определенной формы. Свет проходит через нее и искривляется. Фотонный крючок, например, позволяет перемещать наночастицы под действием давления света, огибать барьер, переносить их через него. Это делает его перспективным инструментом для биологии, медицины, создания новых материалов, где необходимо управлять клетками.

«Для получения фотонной струи и фотонного крючка используются микрочастицы из диэлектрического материала, например, стекла. До сих пор считалось, что для этого нужны частицы разной формы. Для фотонной струи симметричные, для крючка — несимметричные. Однако оказалось, что это совсем не так. Мы провели моделирование и ряд экспериментов, которые показали, что в обоих случаях можно использовать симметричные частицы. Для этого мы частично перекрыли частицу экраном из металла. Экран микроразмера может быть из любого металла, но в экспериментах мы использовали алюминий», — говорит руководитель проекта, профессор отделения электронной инженерии ТПУ Игорь Минин.

Если нужно сформировать фотонную струю, частица облучается полностью. А если необходим искривленный фотонный крючок, экран частично перекрывает ее.

«Тогда мы используем несимметричный волновой фронт при симметричной частице. Это расширяет возможности для использования фотонной струи и крючка. Например, их можно будет использовать в одном устройстве в зависимости от задач.  Например, с помощью фотонной струи можно притягивать наночастицы, как бы захватывать их, а если подставить экран, то луч искривится, и частицы можно будет переместить», — поясняет ученый.

Также возможной областью применения может стать процесс литографии при производстве микросхем. Литография — это технология, используемая для нанесения рисунка будущей микросхемы с помощью лазера.

«Наносить рисунок можно прямым лучом, а можно искривленным. Для этого нужно менять частицу, с помощью которой идет фокусировка. А металлический экран позволит этого не делать, — говорит Игорь Минин. — Микроразмерный металлический экран — крайне простое решение, и в конечных устройствах, где используется эффект фотонной струи или крючка, его применение не приведет к существенному усложнению всей конструкции».

Исследование проводится в сотрудничестве с учеными из Национального университета Ян-Мин (Тайвань), Университета Бен-Гуриона в Негеве (Израиль). Оно поддержано грантами Российского фонда фундаментальных исследований, а также в рамках программы повышения конкурентоспособности ТПУ. 

Пресс-служба Томского политехнического университета

Графика: концепция динамического формирования фотонного крючка