Иногда самые элегантные научные решения рождаются не из сложнейших формул, а из простого и даже слегка неожиданного действия — например, проделывания дырок. В конце июля 2018 года команда исследователей из НИТУ «МИСиС» заставила говорить о себе весь мир нанофотоники, опубликовав в престижном журнале Laser&Photonics Reviews статью, которая в профессиональной среде моментально стала событием года. Ребята под руководством доцента Алексея Башарина не изобрели какую-то запредельно дорогую наноструктуру, а взяли обычную тонкую пластинку кремния и проделали в ней аккуратные отверстия ионным лучом. Получившийся в результате метаматериал продемонстрировал свойства, которые до этого считались почти лабораторной экзотикой: он научился полностью вбирать в себя энергию света, не отражая ее обратно, и при определенных условиях становиться абсолютно прозрачным. Это открытие — не просто изящный физический эксперимент, это реальный шаг к созданию солнечных батарей, которые начнут выжимать из солнечного света максимум возможного, и к появлению сверхчувствительных сенсоров, которые изменят нашу повседневную жизнь.
Что за зверь этот «анаполь» и почему без дырок тут не обошлось
Для начала давайте разберемся с термином, который в новостях тех лет мелькал чуть ли не чаще, чем слово «блокчейн», но смысл его так и остался для многих загадкой. Речь идет об анаполе. Звучит как название древнегреческого города или диковинного минерала, но на самом деле это особое состояние электромагнитного поля внутри вещества. Представьте себе, что свет падает на какой-то предмет. Обычно он либо отражается от него, либо проходит насквозь, либо поглощается, нагревая поверхность. Анаполь ведет себя иначе. Он работает как идеальная ловушка для света: электромагнитная волна заходит внутрь структуры, закручивается там сложным вихревым образом и застревает, переставая излучаться обратно в пространство. Материал при этом не греется, как это бывает с металлами, а просто аккумулирует энергию, становясь при этом почти невидимым для стороннего наблюдателя. Это и есть то самое состояние неизлучающего рассеивателя, которое физики называют идеальным резонатором.
Сама по себе идея анаполя не нова — ее корни уходят в теоретическую физику середины прошлого века, и еще в 2017 году та же группа Алексея Башарина из лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» подтвердила, что это не просто математическая абстракция. Однако одно дело знать, что анаполь существует, и совсем другое — суметь его создать в материале, который можно производить массово и дешево. До работы ученых из МИСиС для получения подобных эффектов использовались либо сложнейшие композиты из наночастиц, либо многослойные «пироги» из различных диэлектриков, наносимых друг на друга с точностью до атома. Это была штучная, дорогая и капризная технология, которая хорошо смотрелась в статьях, но категорически не подходила для промышленного конвейера. Российские физики пошли другим путем. Они задались простым вопросом: а что, если не строить сложные наночастицы, а наоборот — убирать лишний материал, создавая в кремнии пустоты?
Технология перфорирования, предложенная командой, оказалась не только изящной, но и на удивление технологичной. Они использовали установку с фокусированным ионным пучком. Этот прибор похож на сверхточный микроскоп, который вместо того, чтобы разглядывать атомы, выбивает их из материала с ювелирной точностью. Лучом ионов галлия ученые «просверливали» в тончайшей пленке кремния отверстия диаметром всего в несколько десятков нанометров, формируя строго упорядоченную решетку. Именно эта регулярная сетка дырок заставляет свет вести себя нестандартно. Внутри перфорированной пленки электромагнитные поля начинают взаимодействовать таким хитрым образом, что рождается тот самый анапольный резонанс. И что самое важное, этот метод идеально вписывается в существующие технологические процессы микроэлектроники. Заводы, которые сегодня выпускают процессоры и чипы памяти, уже умеют работать с ионными пучками, так что путь от лабораторного образца до реальной солнечной панели или сенсора может оказаться гораздо короче, чем кажется.
Почему простая перфорация оказалась эффективнее наночастиц
Многие могут удивиться: как обычная дырка в кремнии может дать такой фантастический эффект? Здесь стоит вспомнить, что свет — это не просто поток частиц, а волна. И волна эта очень чувствительна к геометрии препятствий, которые встречаются на ее пути. Раньше для управления светом в наномасштабе ученые пытались создавать «лес» из аккуратных кремниевых столбиков или шариков. Но синтезировать миллионы одинаковых наночастиц, а потом ровно расставить их по поверхности — задача архисложная. Начинаются проблемы с воспроизводимостью: одна частица чуть крупнее, другая чуть смещена в сторону, и весь квантовый эффект смазывается. Метод перфорации решает эту проблему радикально. Вместо того чтобы создавать что-то на поверхности, исследователи просто удаляют лишнее в строго заданных координатах. Получается идеально регулярная структура, где расположение и размер каждой пустоты выверены до долей нанометра. Это как если бы вместо того, чтобы рисовать сложную картину кистью, мы использовали трафарет: результат получается более предсказуемым и стабильным.
Алексей Башарин, руководитель проекта, объясняя суть разработки, подчеркнул ключевой момент: «Нам удалось показать, что в оптическом диапазоне частот можно возбудить особое — анапольное — состояние, перспективное для сильной локализации электромагнитных полей и сенсоров». Эта фраза содержит сразу два важных практических следствия. Первое — сильная локализация полей. Это означает, что энергия света не размазывается тонким слоем по пластине, а концентрируется в крошечных областях вокруг отверстий. Следствием этого становится колоссальное усиление взаимодействия света с веществом, что критически важно для создания высокочувствительных детекторов. Второе следствие — это прямая дорога к сенсорике. Если на поверхность такого метаматериала попадет, скажем, одна-единственная молекула какого-либо вещества, она нарушит тонкий баланс электромагнитных полей в анапольной ловушке, и датчик мгновенно это зафиксирует по изменению прозрачности или отражения.
Другое замечательное свойство, о котором сказал ученый, звучит еще более парадоксально: «такой метаматериал может быть прозрачен для электромагнитных волн». Это свойство имеет прямое отношение к солнечной энергетике. Любой, кто хоть раз держал в руках солнечную батарею, знает, что ее поверхность довольно сильно бликует. Эти отраженные лучи — чистая потеря энергии, которая не дошла до фотоэлемента и не превратилась в электричество. Перфорированный кремниевый слой, благодаря анапольному эффекту, перестает отражать свет. Волны проходят сквозь него, словно через оптическое окно, и попадают прямиком в рабочий слой батареи. В теории это может поднять КПД солнечных панелей на несколько процентов, что в масштабах целой электростанции выливается в мегаватты дополнительной мощности. Важно и то, что кремний — это материал номер один в современной электронике и солнечной энергетике, поэтому технология не требует перехода на какую-то экзотическую и дорогую основу.
От солнечных панелей до плаща-невидимки: куда заведут нас дырки в кремнии
Самое очевидное применение новой разработки лежит на поверхности — это повышение эффективности солнечных батарей. Сейчас инженеры бьются над каждым процентом КПД, используя сложные просветляющие покрытия и текстурирование поверхности. Перфорированная пленка с анапольными свойствами может стать более простой и дешевой альтернативой этим методам. Достаточно нанести такой слой поверх уже готового кремниевого фотоэлемента, и отражение света значительно снизится. Причем этот эффект работает в широком диапазоне углов падения лучей, что особенно важно для регионов, где солнце редко стоит в зените. Если технология докажет свою экономическую состоятельность в промышленных масштабах, мы можем увидеть новое поколение солнечных панелей, которые будут вырабатывать больше энергии при той же площади поверхности, что сделает «зеленую» энергетику еще более конкурентоспособной по сравнению с ископаемым топливом.
Но солнечная энергетика — это лишь верхушка айсберга. Гораздо более захватывающие перспективы открываются в области создания сенсоров. Представьте себе датчик, способный уловить запах опасного газа в концентрации в миллион раз ниже, чем это возможно сегодня. Или медицинский экспресс-тест, которому для точного диагноза нужна всего одна капля крови, а не пробирка. Все это становится реальным благодаря сильной локализации электромагнитных полей в анапольных структурах. Чувствительность такого сенсора будет настолько высокой, что он сможет реагировать на изменения показателя преломления среды, вызванные оседанием считанных молекул вещества. Интересно, что работа над экспериментальной частью этого исследования велась в тесной кооперации. Над проектом трудились не только состоявшиеся ученые, но и молодые таланты. Руководитель проекта Алексей Башарин отдельно отмечал вклад аспирантки Анар Оспановой и студента магистратуры Ивана Стенищева, которые выполняли основную расчетную и лабораторную работу. Дальнейшие исследования НИТУ «МИСиС» продолжил совместно с институтами Российской Академии Наук и зарубежными научными центрами.
Ну и конечно, нельзя обойти стороной самый фантастический аспект этой технологии — возможность управления видимостью объектов. Способность анаполя делать материал невидимым для электромагнитных волн — это самый настоящий плащ-невидимка, только в научной, а не в сказочной интерпретации. Ученые из МИСиС совместно с коллегами из Политехнического университета Турина в рамках проекта ANASTASIA уже несколько лет занимаются созданием теории абсолютной невидимости. Их задача — рассчитать оптимальную структуру перфорации, при которой световые волны будут не просто проходить сквозь объект, а мягко огибать его, не создавая ни тени, ни искажений. Пока речь идет о микроскопических объектах и ограниченном диапазоне частот, но сам факт того, что мы можем заставить свет «не замечать» кусочек кремния, открывает двери в будущее стелс-технологий и оптической обработки информации. И все это благодаря простой, на первый взгляд, идее — правильно проделать дырки в тонкой пластинке.
Подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить новые статьи и ставьте нравится.
