Институт спектроскопии РАН (ИСАН)

Русский
Уменьшить шрифт Увеличить шрифт Распечатать страницу

Важнейшие достижения Института спектроскопии РАН

2009-2012 гг.

Ниже приведены наиболее важные достижения мирового уровня, полученные в ИСАН за последние четыре года (2009-2012 гг.), имеющие серьезную перспективу их использования в высоких технологиях:

  1. Разработан экспериментальный образец широкодиапазонного (190÷980 нм) лазерно-искрового эмиссионного спектрометра, предназначенного для решения задач геологии, почвоведения, криминалистики и порошковой металлургии. Основные достоинства прибора: возможность проведения анализа в сыпучих (порошковых) средах практически всех аналитически важных химических элементов при высокой концентрационной чувствительности (0,01-0,00001 массовых долей процента); простота пробоподготовки; возможность локального анализа химического состава включений размером от 30 до 100 мкм; возможность определения серы на уровне 0,01 массовых долей процента в спектральной области λ = 921 нм, а не в традиционной области ближнего ультрафиолета на 185 нм.
  2. Построена теория и предсказаны свойства коллективных возбуждений в электронной жидкости для случая киральной двумерной электронной жидкости на поверхности трехмерного топологического изолятора. Эти возбуждения, благодаря жесткой связи между спином и импульсом электронов, представляют собой связанные волны плотности заряда и плотности спина - спин-плазмоны. Исследована внутренняя структура спин-плазмонов. В состоянии со спин-плазмонами система приобретает полную спиновую поляризацию. Рассмотрено рассеяние спин-плазмонов на внешнем потенциале и показано, что благодаря их сложной внутренней структуре подавлено как рассеяние назад, так и рассеяние вперед. Диаграмма рассеяния спин-плазмона представляет собой два лепестка, имеющих максимум при конечном угле рассеяния. Спин-плазмоны могут использоваться в квантовой плазмонике, спинтронике и для решения задач передачи информации в наноэлектронике.
  3. Предсказанa возможность создания поляритонных ловушек с большим временем жизни поляритона в ловушке в микрорезонаторах, имеющих металлические зеркала. Создание таких ловушек может упростить образование поляритонного конденсата с большим временем жизни, а также будет стимулировать исследования различных нелинейных оптических процессов в конденсате.
  4. Методами фемтосекундной лазерной спектроскопии исследована миграция колебательной энергии в молекуле (CF3)2CCO. Показано, что имеет место многофотонное мод-селективное возбуждение колебания n1 резонансным ИК излучением (~ 5 мкм) вплоть до уровня с v = 6. Время жизни такой селективности ~ 5 пс. Впервые осуществлено on-line наблюдение динамики внутримолекулярного перераспределения энергии (IVR) из резонансно-возбужденного колебания n1 в колебания n2 , n3 и n4 в среднем ИК диапазоне (~5-8 мкм).
  5. Показано, что при протекании спинового тока через содержащий тонкий ферромагнитный слой джозефсоновский контакт между двумя сверхпроводящими нитями возникает периодически меняющаяся во времени разность потенциалов. Частота осцилляций зависит от силы спинового тока, а их амплитуда может сильно возрастать в условиях резонанса с коллективными модами Карлсона-Голдмана. Данный эффект может быть использован в электронных устройствах квантовой памяти, основанных на взаимодействии спинов со сверхпроводящими кубитами.
  6. Предсказаны эффекты увлечения током электронов экситонных поляритонов в оптической микрополости и, наоборот, увлечение потоком поляритонов системы электронов. Указанные эффекты являются чувствительным индикатором появления сверхтекучести в системе поляритонов, поскольку после перехода в сверхтекучее состояние эффекты увлечения подавляются, а также дают возможность с помощью электрического напряжения управлять потоком фотонов в полости и, следовательно, угловым распределением фотонов, вылетающих из полости.
  7. В области 6.5-7.5 нм в спектрах гадолиния и тербия, возбуждаемых в малоиндуктивной вакуумной искре и в лазерной плазме, зарегистрированы интенсивные пики излучения, ширина которых и положение максимума интенсивности зависят от условий возбуждения. Спектры интерпретированы как состоящие из переналожения большого количества линий в ионах от восьмой до двадцать второй кратности ионизации, вклад от которых изменяется с условиями возбуждения. Предложено использовать данные вещества при создании источника излучения для нанолитографии на длине волны короче 13,5 нм.
  8. Разработан новый метод дальнепольной оптической диагностики твердых сред с нанометровым пространственным разрешением по спектрам одиночных молекул, внедряемых в объект в качестве нанозондов. Метод основан на одновременном мониторинге координат и спектров большого количества (сотни тысяч – миллионы) молекул и статистическом анализе полученных данных. Получены новые данные о связи макроскопических свойств поликристаллов, полимеров и стекол с их микроскопическими характеристиками.
  9. Разработана принципиальная схема наномасс-спектрометра на основе нанорезонатора нового типа, основанного на малых относительных колебаниях слоев нехиральных соизмеримых двухслойных углеродных нанотрубок (ДУНТ). Этот нанорезонатор предназначен для измерения массы молекулы, адсорбированной на внешнем слое или наночастицы, прикрепленной к внешнему слою. С помощью метода функционала плотности рассчитаны частоты нанорезонаторов, основаных на различных ДУНТ. Добротности нанорезонаторов определены с помощью компьютерного моделирования. Оценки чувствительности нанорезонаторов в качестве датчиков массы показывают возможность субатомного разрешения.

2003-2008 гг.

Наиболее важные достижения мирового уровня, полученные в ИСАН за 2003-2008 гг.:

  1. Проведен комплекс исследований по созданию источников излучения в области экстремального ультрафиолета 10÷17 нм для нанолитографии. Результатом исследований стало создание лабораторного источника с остроумной схемой использования жидкого олова в качестве рабочего элемента с выходом излучения на длине волны 13,5 нм, достаточным для промышленного применения такого источника излучения в фотонанолитографическом производстве сверхбольших и сверхскоростных интегральных микросхем.
  2. Предложена концепция атомной нанооптики на основе «фотонных точек» и «фотонных дырок». На основе этой концепции предложена новая технология производства большого количества (>107) идентичных атомарных наноустройств и наноэлементов с характерными размерами в диапазоне 20 нм методом прямого (минуя стадию литографии) осаждения атомов на поверхность кремния с использованием принципа камеры-обскуры и лазерных нанополей, и уже получены идентичные наноструктуры размером меньше 50 нм.
  3. Получены при облучении импульсным лазерным излучением фемтосекундной длительности каких-либо материалов или массива углерод-, кремний-содержащих нанотрубок и последующем пропускании фотопродуктов (фрагментов) сквозь нанокапилляр (<100 нм) сжатые во временном масштабе узконаправленные нанолокализованные в пространстве пучки (например, кремний-содержащих фрагментов), которые можно использовать в контролируемом процессе модификации рельефа и химического состава поверхности различных материалов и структур.
  4. Предложена и исследована возможность обнаружения отдельного атома единичным фотоном с нанометровым пространственным и наносекундным временным разрешением (атомный нанозонд с единичным фотоном). Полученные результаты имеют большое практическое значение для детектирования одиночных атомов с высокой эффективностью, в том числе для создания сверхчувствительных детекторов.
  5. Предложена и экспериментально реализована схема дифракции атомов на образованной лазерными лучами управляемой дифракционной решётке, позволяющая осуществлять пространственный и временной контроль атомного пучка аналогично электронному пучку в электронной оптике. Показана возможность создания «атомно-лучевой трубки» для целей атомной и молекулярной нанолитографии. В эксперименте с использованием магнито–оптической ловушки получены ультрахолодные атомы с температурой T~10-4 K (cовместно с Университетом электрокоммуникаций, Токио, Япония).
  6. Развита теория транспорта спиновой поляризации электронов в полупроводниковых микроструктурах и опто-электрических свойств предсказанных в ИСАН принципиально новых наноматериалов – гибридных гетероструктур, образованных слоями органических и полупроводниковых наноплёнок. Полученные результаты важны как для развития спинтроники – нового направления твердотельной электроники, так и для создания высокоэффективных оптических источников излучения с электрической накачкой.
  7. Проведен комплекс исследований и изготовлены портативные биосенсорные устройства для экспрессного определения биологически активных и токсичных соединений (БАС) в жидкости в задачах клинической медицины, фармакологии, пищевой и биотехнологической промышленности (совместно с ИМБ РАН). Новизна технологии, защищенной российскими и международными патентами, состоит в использовании наноконструкций на основе ДНК в качестве биодатчиков, способных распознавать БАС (разработка ИМБ РАН), и портативного дихрометра, измеряющего аномальный оптический сигнал, генерируемый при взаимодействии БАС из анализируемой жидкости с ДНК-биодатчиком.
  8. Предложен и реализован микрооптоакустический лазерный детектор следов примесных молекул в воздухе, основанный на принципах лазерной оптоакустической спектроскопии с использованием кварцевого камертона высокой добротности. Прибор позволяет детектировать утечки токсичных и взрывоопасных веществ на химических производствах и в местах их хранения, проводить анализ газов в замкнутых объемах с предельной чувствительностью (единицы ppb) и огромным (>10 000) динамическим диапазоном при крайне малом необходимом объеме газовой смеси (~0,1 куб.мм).
  9. Разработан новый метод диагностики индивидуальных параметров молекулярных нанообъектов, основанный на измерении оптических спектров одиночных хромофорных молекул, используемых в качестве нанозонда. Принципиальные преимущества такого наноинструмента – получение разнообразной микроскопической информации о среде, в том числе и в условиях отсутствия усреднения по ансамблю примесных молекул и изучаемых нанообъектов.
  10. Предложено с новых позиций приступить к разработке оптического нанотранзистора и интегральных схем на его основе, обладающих неоспоримыми достоинствами в сравнении с традиционными электронными элементами и схемами. Достигнутый уровень изготовления оптических нановолокон и результаты проведенных в ИСАН (совместно с учеными Японии и Германии) исследований позволяют спроектировать оптический нанотранзистор с минимально возможным количеством материала (единичные атомы) и минимальным количеством управляющей транзистором энергии (единичные фотоны).