Forskare från MIPT, ITMO University (St Petersburg), och deras kollegor från Australian National University har experimentellt visat att kiselnanopartiklar avsevärt kan öka intensiteten hos Raman -effekten. Dessa fynd kan bidra till utvecklingen av nanoskala ljusemitterare och nanoskala förstärkare för fiberoptiska telekommunikationslinjer. Resultaten av studien har publicerats i Nanoskala .

Vanligtvis, när ljus interagerar med materia, det ändrar inte färg, d.v.s. ljusets våglängd förblir densamma. Det finns undantag, dock, och en av dem är den så kallade Raman-effekten. I detta fall, infallande ljus interagerar med en molekyl på ett sådant sätt att molekylens energi ökar med ett värde som motsvarar molekylens vibrationsrörelse. Molekylen sänder sedan ut en foton med lägre energi och följaktligen en längre våglängd, vilket betyder att ljuset blir "rödare". Denna process kan också förekomma i bulk -kristaller.

Upptäckten av Raman -effekten lanserade ett helt nytt område inom tillämpad vetenskap - Raman -spektroskopi. Denna metod gör det möjligt för forskare att upptäcka enskilda molekyler av kemiska ämnen. Dessutom, Raman-effekten används i stor utsträckning idag i fiberoptiska nät för signalförstärkning.

Tills nu, vågledare och sfäriska mikrokaviteter större än emissionsvåglängden har huvudsakligen använts för förbättring av Raman -effekten. Dock, miniatyrisering av telekommunikationsenheter kräver utveckling av mindre optiska komponenter som förbrukar mindre energi och är lättare att "packa" på ett elektroniskt eller optiskt chip.

Forskarna, inklusive Denis Baranov från MIPT försökte miniatyrisera Raman -förstärkare.

Forskarna använde kisel-nanosfärer som stöder optiska resonanser-de så kallade Mie-resonanserna. De finns i alla sfäriska partiklar och våglängderna för dessa resonanser beror på partikelstorleken. En av de resonanser som uppstår för den största våglängden är den magnetiska dipolresonansen - dess våglängd är i allmänhet jämförbar med partikelns diameter. I kisel, dock, på grund av dess stora brytningsindex, magnetisk dipolresonans observeras i det optiska området (vid våglängder längre 300 nanometer) för nanopartiklar med en diameter på cirka 100 nanometer.

Detta faktum gör små kisel -nanopartiklar användbara som miniatyrelement för att förbättra olika optiska fenomen, inklusive spontan ljusemission, förbättrad ljusabsorption, och hög harmonisk generation.

I experimentet, forskarna studerade beteendet hos kiselnanopartiklar av olika storlekar. För att bestämma partiklarnas storlek, de placerade dem under ett mikroskop och belyste dem med vitt ljus. Partiklar med olika diametrar demonstrerar Mie-resonanser vid olika våglängder vilket resulterar i olika glödande färger i den mörka fältbilden.

Forskarna testade sedan hur intensiteten av Raman -utsläpp beror på diametern på en kiselpartikel. Intensiteten för Raman -utsläpp var högst vid partikelns resonansdiameter, vilket var helt förenligt med den teori som författarna hade utvecklat. Intensiteten för Raman-emissionen av resonanspartiklar var mer än 100 gånger större än för icke-resonanta partiklar med andra diametrar.

"Raman -effekten är otroligt användbar i praktiken, och hjälper inte bara att upptäcka mikroskopiska mängder kemiska föreningar, men också vid överföring av information över långa avstånd. På grund av strävan efter mindre elektroniska och optiska enheter, det blir allt viktigare för oss att leta efter nanostrukturer som kan förstärka denna effekt. Våra observationer har avslöjat en potentiell kandidat - kiselnanopartiklar, "sade Denis Baranov, en doktorand vid MIPT och en av författarna till uppsatsen.

Kiselnanopartiklar kan tjäna som grund för utvecklingen av miniatyroptiska förstärkare för fiberoptiska nät. I framtiden, dessa partiklar kan ge en plattform för att bygga en kompakt nanolaser med hjälp av stimulerad Raman -spridning, som erbjuder utsikter för mycket intressanta tillämpningar inom medicin och biomikroskopi. Särskilt, Genom att upptäcka signaler om Raman -utsläpp från partiklar i människokroppen kan specialister spåra rörelsen av läkemedelsmolekyler.