Ученые Санкт-Петербургского государственного университета разработали нанолазер на основе нитридных нитевидных нанокристаллов InGaN, сообщила пресс-служба СПбГУ.
Новый российский нанолазер в 1667 раз тоньше человеческого волоса.
Мир болезней, одиночных молекул и квантовых вычислений живёт именно там — в нанометровом диапазоне, куда обычный лазер физически не дотянется.
Он сопоставим по масштабу с вирусом гриппа, который в среднем чуть крупнее: 80–120 нанометров. Получилось что устройство, генерирующее свет, меньше объекта, который этот свет мог бы в принципе осветить.
Открытие действительно прорывное. И, самое удивительное - наши ученые смогли обойти ограничения законов физики, которые раньше в вопросам толщины лазера считались незыблемыми.
Барьер, который долго не могли обойти
У физиков было жёсткое правило: лазер не может сфокусировать свет в пятно меньше половины длины своей волны. Для видимого света это примерно 200–250 нанометров. Это не техническое ограничение, которое снимается с выходом новой модели оборудования. Это закон волновой природы света, сформулированный ещё в XIX веке.
Представьте, что пытаетесь нарисовать точку фломастером. Как бы вы ни старались — точка всегда будет не меньше наконечника фломастера.
Весь мир классических лазеров — от указки до хирургического скальпеля — работает именно такими «фломастерами». Классический лазерный фокус и обычная оптика не позволяют работать с вирусами, одиночными белками и молекулами ДНК напрямую, на их собственном масштабе — для этого нужны принципиально другие инструменты.
Нанолазер обходит физический запрет через хитрость: вместо чистого света он использует гибрид из электромагнитной волны и колебаний электронов на поверхности металла. Такой гибрид в десятки раз компактнее обычной волны — так фломастер из моей аналогии выше превращается в иглу.
Петербургская команда уложила всё это в 60 нанометров и получила ширину спектра 0,15 нанометра — в 5–10 раз более узкую, чем у обычных полупроводниковых лазеров. Чем более узкий спектр, тем чище сигнал: слышна именно нужная молекула, а не весь биологический шум вокруг неё.
Иголка ищет болезнь в крови
Самое понятное прикладное применение нанолазеров — не квантовые компьютеры и не оптические чипы, хотя и это впереди. Это медицина. Конкретно — сверхчувствительная биосенсорика.
Самое понятное применение нанолазеров — медицинская диагностика. В крови больного раком плавают крошечные пузырьки с опухолевыми маркерами на поверхности — их размер как раз 30–150 нанометров.
Обычные тесты их не замечают. Плазмонные сенсоры на той же физике, что и нанолазер, уже обнаруживают такие маркеры при концентрации в тысячи штук на миллилитр — это на порядок лучше стандартных методов. До диагноза по капле крови в поликлинике ещё далеко, но направление понятно.
Онкология убивает не потому, что мы не умеем лечить. Убивает потому, что находим слишком поздно. Если нанолазер в итоге сдвинет диагностику рака поджелудочной железы с четвёртой стадии на первую — это важнее любого квантового компьютера.
Минус 268: честный разговор
Сейчас российский нанолазер работает при температуре 5 Кельвинов. Это минус 268 градусов Цельсия, лишь на три градуса теплее абсолютного нуля (самой низкой возможной температуры в принципе).
Прибор держат в криостате, агрегате размером с холодильник. Конечно, на текущий момент ни о какой портативной диагностике в таких условиях говорить не приходится.
Это серьёзное ограничение. И оно не уникально для данной разработки — для рекордно компактных нанолазеров синего диапазона криогенный режим остаётся типичной проблемой и в других странах.
Авторы петербургской работы прямо говорят о следующем шаге: повышение рабочей температуры и переход от оптической накачки к электрической. Именно это нужно для реальных устройств.
Задача не в том, чтобы сделать лазер. Задача — совместить три вещи одновременно: минимальный размер, комнатную температуру и электрическую накачку. Пока в мире нет ни одной группы, которая решила все три задачи в синем диапазоне разом. Именно поэтому гонка продолжается.
Где мы в мировой гонке
Работа СПбГУ входит в число наиболее компактных для плазмонного синего диапазона — 60 нанометров поперечного размера.
В мире пока самый сильный вариант показали датчане. У них технология иная.
Датская группа из Технического университета Дании решила главную практическую задачу: их нанолазер работает при комнатной температуре в непрерывном режиме — никакого криостата, никакого жидкого гелия.
Но за это пришлось заплатить: датский лазер крупнее российского и работает в инфракрасном диапазоне, который хорош для телекоммуникаций, но не для биосенсорики, где нужен синий или ультрафиолетовый свет.
Петербургский лазер меньше, чище по спектру и работает именно в синем диапазоне. И пригодится для широкого спектра задач, включая медицину.
Грубо говоря: датчане сделали то, что можно использовать уже сейчас, россияне — то, что нужно будет использовать потом, когда проблему температуры решат.
Отдельная деталь, которую хочу подчеркнуть: научная линия СПбГУ тянется напрямую к Жоресу Алфёрову, нобелевскому лауреату 2000 года за полупроводниковые гетероструктуры — слоистые материалы, которые лежат в основе всех современных лазеров.
Преемственность поколений в науке - это важно. В СССР это было реализованы прекрасно, после распада страны мы многое утратили - увы, немало у нас прервалось в 90-е.
Дифракционный предел полтора века считался законом природы — теперь это одно из правил, которое наши ученые научились обходить.
Физика не знает границ и санкций — закон природы одинаков в Петербурге и Копенгагене.
Но коммерциализация знает всё: и границы, и санкции, и доступ к оборудованию. Российская наука умеет делать открытия — это она доказывала много раз. Труднее ей даётся следующий шаг: превратить открытие в продукт, который стоит на полке. Нанолазер из СПбГУ — отличная работа. Но настоящий вопрос будет задан лет через десять: где окажется этот результат — в учебнике истории науки или в диагностическом чипе в какой-нибудь больнице.