В новом проекте «Где рождается наукоемкий бизнес?» ученые в своих лабораториях рассказывают о перспективных исследованиях, разработках и их технологическом применении в различных областях коммерческого производства. В этом выпуске проходит беседа с доцентом МГУ им. М.В. Ломоносова, руководителем группы «Магнитооптика, плазмоника и нанофотоника» Российского квантового центра Владимиром Белотеловым.
Взаимодействие между светом и магнитным веществом было открыто английским ученым Майклом Фарадеем в середине XIX века, когда он обнаружил, что магнитное поле влияет на поляризацию света, проходящего через вещество, например вращает плоскость поляризации. И с этого момента началось становление магнитооптики. Важно отметить, что в XX веке мировыми лидерами магнитооптики являлись несколько научных групп в Советском Союзе, в Московском университете. Ряд прорывных результатов были получены, например, группой проф. Г.С. Кринчика на кафедре магнетизма физического факультета. Параллельно этому важные прикладные работы велись в группе лауреата Нобелевской премии, изобретателя лазерных технологий А.М. Прохорова. Сам я занялся исследованиями в этом направлении, еще будучи студентом кафедры физики колебаний на физическом факультете МГУ, и с этого момента меня это направление очень увлекло. Я продолжил исследования в этой области и после окончания университета. В итоге удалось создать две лаборатории. Одна из них находится здесь, в Российском квантовом центре, а вторая лаборатория находится на кафедре фотоники и физики микроволн на физическом факультете Московского государственного университета.
О лаборатории
Лаборатория, в которой мы сейчас находимся, называется «Лаборатория магнитооптики, нанофотоники и плазмоники». И эти три слова отражают суть того направления исследований, которыми мы занимаемся. Задачи, решаемые в этой лаборатории, связаны с исследованием взаимодействия между оптическим излучением (то есть светом) и магнитными материалами. Это та часть, которая связана со словом «магнитооптика». Второе слово в названии — «нанофотоника». Оно указывает на то, что свет — поток фотонов — освещает материалы, которые не являются однородными, а представляют собой специально структурированные среды. Причем характерный размер этой структуры меньше микрона, поэтому их называют наноструктурированными. Примером такой структуры являются плотно упакованные наноразмерные шарики или пленка, перфорированная отверстиями размером порядка 100 нм. И третье слово — «плазмоника». Оно пришло в название нашей лаборатории из-за того, что основной акцент наших исследований делается на изучении материалов, в которых можно возбудить плазмонные волны — поверхностные плазмон-поляритоны. Плазмонные волны имеют гибридную природу, они представляют собой распространяющиеся коллективные колебания электромагнитного поля и свободных электронов в металле. Благодаря этому удается сильно ограничить свет в области гораздо меньше микрона.
О взаимодействии света и намагниченности
В нашей лаборатории мы изучаем особенности взаимодействия света с различными магнитными наноструктурами. Причем, с одной стороны, интересно изучить, как оптическая волна распространяется по магнитной наноструктуре (так называемые прямые магнитооптические эффекты). С другой стороны, большой интерес представляет и изучение обратного явления. Майкл Фарадей еще в XIX веке высказал предположение, что наряду с прямым магнитооптическим эффектом существует и обратный эффект — свет может воздействовать на состояние намагниченности. Мы также изучаем прямые и обратные эффекты. Исследовать то, как намагниченность влияет на свет, можно относительно простыми методами, используя источник белого света, например галогеновую лампу, и различные линзы, призмы, поляризаторы. Отраженный от образца или прошедший через него свет анализируется при помощи спектрометра. Напротив, изучать обратные магнитооптические эффекты, то есть влияние света на намагниченность наноструктуры, гораздо сложнее, и эта задача требует более дорогостоящего оборудования, в частности фемтосекундного лазера. В нашей лаборатории такой лазер есть. Это титан-сапфировый лазер, который за счет дополнительных устройств позволяет получать очень короткие импульсы света продолжительностью в десятки и сотни фемтосекунд в достаточно широком диапазоне длин волн от 400 до 1500 нанометров. В эксперименте, который называют «накачка-зондирование», на образец воздействуют мощным импульсом — накачкой, а затем наблюдают, что произошло с образом, освещая его вторым зондирующим импульсом, который существенно слабее первого.
О фундаментальном аспекте
У нас на оптическом столе собраны две установки. Одна из них как раз содержит фемтосекундный лазер, который позволяет эффективно воздействовать на магнитные свойства наноструктуры. Вторую установку мы называем установкой белого света, потому что в ней используется не лазерный источник излучения, а широкополосный источник — галогеновая лампа. В этой установке мы изучаем, как свет проходит через магнитную наноструктуру и как можно управлять его характеристиками — интенсивностью, поляризацией и фазой — с помощью магнитного поля.
Эти исследования имеют большое фундаментальное значение, поскольку позволяют лучше изучить особенности взаимодействия света с магнитными наноструктурами. И при этом основной акцент в исследованиях мы делаем на изучении резонансных явлений, то есть на случаях, когда свет в этих магнитных наноструктурах возбуждает различные собственные волны, например плазмонные волны или волноводные моды. Дело в том, что собственные волны помогают управлять светом, усиливают влияние на него магнитного поля. Собственно, в этом и состоит основной смысл использования вместо однородной пленки магнитной наноструктуры. Специально подобранная наноструктура позволяет на определенных длинах волн усилить магнитооптические эффекты в сотни и даже тысячи раз. Например, если при отражении света от обычной магнитной пленки магнитное поле может изменить его интенсивность только на доли процента, то при отражении света от такой специально созданной магнитной наноструктуры интенсивность света уже меняется существенно больше. Недавно нам удалось ее изменить почти на 30%. Для магнитооптики это уже является гигантским эффектом. Но это не предел. Сейчас мы работаем над созданием магнитной наноструктуры, в которой эти изменения были бы еще больше и приближались к 100%.
О коммерческом применении
Если говорить о магнитооптическом направлении, то можно упомянуть магнитооптическую голографию и так называемый трехмерный «imaging». Трехмерная магнитооптическая голография уже вышла за пределы лаборатории и применяется в Японии для трехмерного хранения информации.
Если говорить о плазмонном направлении, то плазмонные структуры могут быть использованы для записи информации. Сейчас компания Seagate использует плазмонные решетки для эффективной термомагнитной записи информации.
Различные магнитные наноструктуры также можно применить в телекоммуникационных системах для передачи информации не импульсами тока в проводах, а импульсами света в оптических волокнах или в каких-то других передатчиках оптического излучения. Важным моментом здесь является то, что за счет магнитного поля можно воздействовать на характеристики света с частотой вплоть до сотен гигагерц и на этих частотах закладывать в свет информацию и передавать ее.
Вообще сейчас идет переход от электронного метода передачи информации к оптическому. Например, компания IBM недавно заявила о создании кремниевого фотонного чипа, в котором удалось сочленить элементы электроники с оптическими. IBM активно работает в этом направлении — у них есть целый исследовательский отдел, работающий над связью отдельных элементов процессора не обычными медными проводами, а оптическими каналами. Это позволит существенно увеличить скорость передачи информации. При использовании электронного канала скорость передачи информации ограничена несколькими гигабитами в секунду, а в оптическом канале можно достичь существенного прогресса вплоть до сотен терабит в секунду.
О перспективных направлениях
Магнитооптика дает возможность создания так называемых невзаимных оптических элементов. Они могут пригодиться в микросхемах оптических компьютеров будущего. Например, на базе магнитоплазмонных структур можно сделать компактные оптические изоляторы, которые пропускают излучение в одну сторону, но блокируют его в другую сторону.
С другой стороны, есть ряд задач конкретно прикладных, над которыми мы сейчас работаем и которые могут быть решены в ближайшие несколько лет. Например, мы разрабатываем сверхчувствительные датчики магнитного поля, которые позволят измерять очень слабые магнитные поля около десятков фемтотесла. Эти датчики важны для целого ряда применений. Например, в магнитокардиографии, в которой наблюдают за работой сердца, анализируя изменения его магнитного поля.
Величина магнитного поля сердца имеет характерные особенности порядка сотни пикотесла, которые необходимо заметить, поэтому и требуются сверхчувствительные датчики. В настоящее время магнитокардиограммы измеряют СКВИДами (сверхпроводящими квантовыми интерферометрами), но СКВИДы работают при очень низких температурах, и, кроме того, они очень дорогостоящие. А в нашем проекте в качестве рабочего элемента датчика мы используем магнитные плазмонные наноструктуры. Наблюдая оптически за перемагничиванием образца, можно измерять магнитное поле, в котором он находится.
