Новый источник ультрафиолетовых импульсов станет "клеточным хирургом"

Учёные из Университета ИТМО и Санкт-Петербургского Академического университета разработали материал, превращающий инфракрасный свет (ИК) в сверхкороткие импульсы ультрафиолета (УФ). Новая технология поможет создать компактные УФ-генераторы для биофотоники и медицины, а также особо компактные устройства для оптической связи. Соответствующая статья опубликована в журнале Nanoscale.

Исследователи обработали кремниевую плёнку толщиной в 100 нанометров сверхкороткими лазерными импульсами. Они выплавили на её поверхности нановыступы, по размерам близкие к волнам электромагнитного излучения, с которыми должно работать итоговое устройство. Затем мощность сверхкоротких лазерных импульсов уменьшали и плёнка прекращала деформироваться.

На этом этапе волны излучения ИК-лазера вступали в резонансное взаимодействие с нановыступами. За счёт этого плёнка поглощала более длинные волны инфракрасной части спектра и сразу после этого переизлучала обратно более короткие волны – ультрафиолет. Они обладают очень короткой длиной волны, и при этом довольно высокой мощностью. За счёт малой длины волны такое излучение может отражаться даже от очень миниатюрных объектов, например компонентов отдельной живой клетки.

Излучение с такими параметрами может использоваться в биологии и медицине. Длительность одного импульса нового источника ультрафиолета – одна квадрилионная доля секунды. Это меньше периода теплового "дрожания" атомов в молекулах, а значит с их помощью можно изучать и оказывать влияния даже на самые тонкие и быстротекущие процессы. Например, можно запечатлеть сложную молекулу во время химического превращения, а затем, изучив ход реакции по отдельным изображениям, – понять, как можно управлять ею ("клеточная хирургия").

Новая технология может найти приложение и в оптической связи. Сверхкороткие лазерные импульсы с малой длиной волны способны значительно уплотнить поток передаваемой информации. Кремниевые поверхности такого типа можно внедрить в оптическую микросхему и с её помощью гибко переключать частоту излучения. Это позволит разделять потоки данных и параллельно производить большие объёмы вычислений с помощью меньшего количества микросхем.

На сегодня все имеющиеся аналоги подобных излучателей в УФ-диапазоне не обладают таким набором параметров. Они, как правило, намного больше, чем плёнка толщиной в 100 нанометров. За счёт большой толщины, УФ-импульс, который они выдают не такой короткий. Его можно сделать короче, но уже за счёт применения дополнительных дорогостоящих устройств. Сложные переизлучающие поверхности, обработанные лазером, были известны и ранее. Однако их производство было значительно сложнее и дороже, чем у нового образца, сделанного в Санкт-Петербурге.