Физики МГУ получили изображения электромагнитных полей оптических наноантенн

Учёные лаборатории нанооптики и метаматериалов совместно с бельгийскими коллегами из Католического университета г. Лëвена и исследовательского центра IMEC получили изображения оптических мод в кремниевых наноантеннах с субволновым пространственным разрешением. Исследование наноантенн в форме цилиндрической, прямоугольной и треугольной призмы позволило учёным изучить бóльшее количество пространственных конфигураций электромагнитного поля, существующих в наноантеннах. Результаты исследования помогут управлять излучением локализованных источников света, таких как квантовые точки и флуоресцентные молекулы. Работа опубликована в журнале Nanophotonics.

Электромагнитные антенны являются ключевыми устройствами в современных технологиях, широко применяемыми в сотовой связи, телевидении и телекоммуникациях. Традиционно антенны преобразуют радио- и микроволны, из-за чего их пространственные размеры составляют от нескольких миллиметров до нескольких метров. В настоящее время развитие методик изготовления наноструктур позволило создавать миниатюрные наноантенны, управляющие электромагнитным излучением в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне. Такие антенны получили название оптических наноантенн. Особую роль среди них занимают наноантенны, изготовленные из материалов с высоким показателем преломления, например, из аморфного кремния. Аморфный кремний имеет показатель преломления около четырех и низкий коэффициент поглощения, что позволяет эффективно и без потерь локализовать падающий свет в область с субволновыми размерами. 

Оптические наноантенны используются для передачи электромагнитной энергии от “точечных” излучателей: например, для управления излучением квантовых точек. Если квантовую точку разместить вне наноантенны, то она будет излучать как диполь – преимущественно в две стороны. А чтобы правильно направить излучение в какую-то конкретную область пространства, необходимо разместить квантовую точку в определённом месте возле наноантенны. Такие места размещения квантовых точек зависят от распределения оптических полей возле антенны. Получается, что «карты» оптических мод составляются для точного позиционирования квантовых точек и управления их излучением. 

Однако визуализация мод с использованием обычных методов оптической микроскопии невозможна из-за существования фундаментального дифракционного предела, говорящего о том, что два объекта (две пучности поля) неразличимы микроскопом, если расстояние между ними меньше, чем примерно половина длины волны используемого света. Чтобы преодолеть эти проблемы, ученые локально возбуждали оптические наноантенны методом сканирующей ближнепольной оптической микроскопии (Scanning near-field optical microscopy).

 Такой метод имеет красивую акустическую аналогию, примененную Эрнстом Хладни в 1787 году для визуализации акустических мод в металлических пластинах различной формы. Покрывая песком пластины и возбуждая смычком акустические моды, он наблюдал разнообразные узоры, теперь известные как фигуры Хладни, показывающие пространственное распределение узлов акустических мод. «По аналогии с фигурами Хладни, для визуализации оптических мод в наноантеннах мы использовали апертурный зонд сканирующего ближнепольного оптического микроскопа. Зонд представляет собой полую металлическую пирамиду с крошечным отверстием размером в 90 нм, которое формирует сильно локализованный источник света. Поднесение зонда к наноантенне обеспечивает эффективное возбуждение оптических мод. Собирая отклик наноантенны, можно получить изображения, показывающие пространственную структуру оптических мод с субволновым разрешением до 50 нм», - отмечает один из соавторов статьи Александр Фролов, младший научный сотрудник физического факультета МГУ. 

«Мы показали, что апертурный зонд возбуждает и визуализирует оптические моды электрического и магнитного типа в кремниевых наноантеннах с формой диска, квадрата и треугольника. Были обнаружены моды шепчущей галереи, локализованные у границ наноантенн, и моды типа Ми/Фабри-Перо, возбуждаемые по всему объему наноантенн», – поясняет один из соавторов работы, профессор Католического университета г. Лёвена Виктор Васильевич Мощалков.

Обычно антенны изготавливают в виде фундаментальных геометрических форм (диск, квадрат, треугольник). Каждая из форм обладает модами с определенной пространственной структурой, поэтому в зависимости от задач выбираются те или иные антенны. В зависимости от пространственного распределения электромагнитные моды могут иметь бóльшую добротность, локализацию электромагнитного поля и направленность. Целью учёных было получить изображения оптических мод основного класса наноантенн с тремя фундаментальными формами. Для дисковой формы наноантенны наблюдались моды типа шепчущей галереи (они локализованы по кругу) – с большой добротностью. Для квадратной формы визуализировались моды типа Ми/Фабри-Перо, у которых добротности сравнимы с модами в диске, а для треугольника получались более сложные, гибридные варианты с немного меньшей добротностью по сравнению с диском и квадратом. Важно отметить, что если для кремниевой наноантенны в форме диска подобные визуализации оптических мод уже были проведены ранее другими более сложными методами, то для форм треугольника и квадрата такие результаты получены впервые. 

«Данный подход может быть использован для исследования оптических наноантенн различной формы и визуализации всех типов оптических мод. Локальное возбуждение мод сопровождается значительным изменением рассеяния и локализации света, которые могут оказывать непосредственное влияние, например, на квантовый выход близлежащих излучателей и эффективность нелинейных процессов», – отмечает один из соавторов статьи, заведующий кафедрой нанофотоники Андрей Анатольевич Федянин. 

Работа выполнена с участием сотрудников НОШ «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина». Сайт лаборатории: https://nanolab.phys.msu.ru/ru

Рисунок 1. Ближнепольные оптические изображения и возбуждаемые оптические моды в кремниевых наноантеннах в форме цилиндрической, прямоугольной и треугольной призмы. 

Информационная служба физического факультета.