Открытие КФУ совершит прорыв в энергетике и лечении рака
Ученые из научно-исследовательской лаборатории «Квантовая фотоника и метаматериалы» Института физики Казанского федерального университета (КФУ) под руководством профессора Сергея Харинцева выявили, что в средах с выраженной пространственной дисперсией свет вызывает оптический нагрев преимущественно из-за рассеяния, а не поглощения, как было принято считать ранее.
Этот новаторский экспериментальный результат критически важен для развития нелокальной фотоники — новой области в современной оптике, посвященной изучению взаимодействия света с материалами, ограниченными в пространстве.
Результаты исследования опубликованы в престижном журнале Nanophotonics. Работа была поддержана индустриальным партнером ООО «Остек-АртТул».
Профессор Сергей Харинцев поясняет, что взаимодействие света с веществом играет ключевую роль в современных технологиях, включая оптоэлектронику, биомедицину и возобновляемую энергетику. В однородных материалах свет эффективно взаимодействует в условиях резонанса, при котором энергия фотона напрямую трансформируется в энергию электрона. Этот процесс известен как поглощение света и подчиняется закону Бугера—Ламберта—Бера. Именно поглощение приводит к фотонагреву непрозрачных однородных сред. Однако вне условий резонанса оптическое излучение плохо взаимодействует с однородными материалами из-за рассогласования импульсов электрона и фотона.
По словам ученого, неоднородные материалы содержат множество оптических неоднородностей на наноуровне — например, дефекты, границы раздела фаз, включения. При лазерном освещении эти неоднородности генерируют фотоны ближнего поля с увеличенным импульсом, которые участвуют в непрямых оптических переходах (сопровождающихся изменением импульса электрона). Это объясняет, почему оптически прозрачные, но неоднородные (пространственно-ограниченные) среды могут нагреваться.
Чтобы объяснить это явление, группа профессора Харинцева предположила, что общие оптические потери в неоднородных средах обусловлены не только прямым/непрямым поглощением, но и прямым/непрямым рассеянием. В ходе работы исследователи экспериментально показали аномальный оптический нагрев пространственно-ограниченных твердых тел, где электронное рассеяние света является доминирующим механизмом взаимодействия света с веществом.
«Аномальный оптический нагрев в пространственно-ограниченных средах происходит благодаря непрямым оптическим переходам, обеспечивающим согласование импульсов электрона и фотона. В то время как непрямое поглощение подчиняется законам сохранения энергии и импульса, непрямое рассеяние света требует сохранения только импульса электрона», — отметила соавтор исследования, магистрант Института физики Элина Батталова.
Это излучение, то есть электронное рассеяние света, несет ценную информацию о пространственной структуре неоднородных материалов и не зависит от их химического состава.
«Важно подчеркнуть, что данный механизм приводит к увеличению концентрации зарядов в зоне проводимости, что, в свою очередь, повышает показатель преломления, оптический нагрев, фотопроводимость и оптическую нелинейность. Сегодня электронное рассеяние света широко применяется для структурного анализа неоднородных и неупорядоченных твердых тел и обладает значительным потенциалом для дальнейшего использования в фотоэлектрических и термооптических технологиях и устройствах», — продолжил Сергей Харинцев.
Электронное рассеяние света находит важное практическое применение в оптоэлектронике, в частности, для создания белых светодиодов и безрезонаторных микролазеров, а также высокоэффективных кремниевых солнечных батарей, потенциально способных превысить предел Шокли—Квиссера (32%). Высокий показатель преломления в пространственно-ограниченных средах открывает возможности для разработки оптически прозрачных, но при этом электропроводящих материалов.
Электронное рассеяние света может служить инструментом спектроскопии для дефектоскопии твердых тел, находя применение для быстрой характеристики, например, крупноформатных кремниевых пластин. Этот бесконтактный метод также может быть использован в геологоразведке для определения пространственной структуры пористых пород и оценки проницаемости и нефтегазонасыщенности коллекторов.
Предложенный физический принцип может позволить увеличить дебет скважин за счет уменьшения вязкости тяжелых сортов нефти. Особый интерес представляют приложения в области биомедицины. Например, электронное рассеяние света может быть использовано для оптического детектирования конформаций пептидов и белков при комнатной температуре. Аномальный фотонагрев пространственно-ограниченных сред лежит в основе методов таргетной термооптической диагностики и терапии нейродегенеративных заболеваний и некоторых типов рака. Наконец, этот механизм помогает понять поведение открытых химических и биологических систем различной сложности, что может быть важно для создания сознательного искусственного интеллекта.
