Zuvor haben wir unser
Fablab und
Labor für cyber-physikalische Systeme gezeigt . Heute können Sie sich das optische Labor der Fakultät für Physik und Technologie der ITMO-Universität ansehen.
Auf dem Foto: dreidimensionaler NanolithographDas Labor für niedrigdimensionale Quantenmaterialien gehört zum Forschungszentrum für Nanophotonik und Metamaterialien (
MetaLab ) der
Fakultät für Physik und Technologie .
Die Mitarbeiter
untersuchen die Eigenschaften von
Quasiteilchen : Plasmonen, Exzitonen und Polaritonen. Diese Studien werden es ermöglichen, vollwertige optische und Quantencomputer zu schaffen. Das Labor ist in mehrere Arbeitsbereiche unterteilt, die alle Arbeitsschritte mit niedrigdimensionalen Quantenmaterialien abdecken: Probenvorbereitung, Herstellung, Charakterisierung und optische Untersuchungen.
Die erste Zone ist mit allem ausgestattet, was für die Vorbereitung von
Metamaterialproben erforderlich ist.
Zur Reinigung ist ein Ultraschallreiniger installiert, und um einen sicheren Betrieb mit Alkoholen zu gewährleisten, ist hier eine leistungsstarke Haube angebracht. Einige Forschungsmaterialien werden uns von Partnerlabors in Finnland, Singapur und Dänemark geliefert.
Zur Sterilisation von Proben im Raum befindet sich ein Trockenschrank BINDER FD Classic.Line. Die darin enthaltenen Heizelemente halten eine Temperatur von 10 bis 300 ° C aufrecht. Es verfügt über eine USB-Schnittstelle zur kontinuierlichen Temperaturüberwachung während des gesamten Experiments.
Das Laborpersonal verwendet diese Kamera auch für Stresstests und Alterungstests. Solche Experimente sind notwendig, um zu verstehen, wie sich Materialien und Geräte unter bestimmten Bedingungen verhalten: Standard und extrem.
In einem angrenzenden Raum wird ein dreidimensionaler Nanolithograph installiert. Damit können Sie dreidimensionale Strukturen mit einer Größe von mehreren hundert Nanometern herstellen.
Das Funktionsprinzip basiert auf dem Phänomen der Zwei-Photonen-Polymerisation. Tatsächlich handelt es sich um einen 3D-Drucker, der mithilfe von Lasern aus einem flüssigen Polymer ein Objekt bildet. Das Polymer verfestigt sich nur an dem Punkt, an dem der Laserstrahl fokussiert ist.
Auf dem Foto: dreidimensionaler Nanolithograph
Im Gegensatz zu Standardlithographiemethoden, mit denen Prozessoren erstellt und mit dünnen Materialschichten gearbeitet werden, können Sie mit der Zwei-Photonen-Polymerisationsmethode komplexe dreidimensionale Strukturen erstellen. Zum Beispiel sind dies:
Der nächste Laborraum wird für optische Experimente genutzt.
Es gibt einen großen optischen Tisch mit einer Länge von fast zehn Metern, der mit zahlreichen Installationen gefüllt ist. Die Hauptelemente jeder Installation sind Strahlungsquellen (Laser und Lampen), Spektrometer und Mikroskope. Eines der Mikroskope hat drei optische Kanäle gleichzeitig - oben, seitlich und unten.
Es kann verwendet werden, um nicht nur Transmissions- und Reflexionsspektren, sondern auch Streuung zu messen. Letztere liefern sehr umfangreiche Informationen über Nanoobjekte, beispielsweise spektrale Eigenschaften und Strahlungsmuster von Nanoantennen.
Auf dem Foto: Der Effekt der Lichtstreuung auf SiliziumpartikelAlle Geräte befinden sich auf einem Tisch mit einem einzigen Vibrationsunterdrückungssystem. Die Strahlung eines Lasers kann mit nur wenigen Spiegeln an jedes der optischen Systeme und Mikroskope gesendet werden und die Forschung fortsetzen.
Ein Gaslaser mit einem sehr engen Spektrum ermöglicht die Durchführung von
Raman-Spektroskopie- Experimenten. Der Laserstrahl wird auf die Oberfläche der Probe fokussiert und das Spektrum des gestreuten Lichts wird mit einem Spektrometer aufgezeichnet.
Die Spektren zeigen schmale Linien, die der unelastischen Lichtstreuung (mit einer Änderung der Wellenlänge) entsprechen. Diese Peaks liefern Informationen über die Kristallstruktur der Probe und manchmal sogar über die Konfiguration einzelner Moleküle.
Ein Femtosekundenlaser ist ebenfalls im Raum installiert. Es ist in der Lage, sehr kurze (100 Femtosekunden - ein Zehn-Billionen-Teil einer Sekunde) Laserstrahlungsimpulse mit großer Leistung zu erzeugen. Als Ergebnis erhalten wir die Möglichkeit, nichtlineare optische Effekte zu untersuchen: die Erzeugung doppelter Frequenzen und anderer grundlegender Phänomene, die unter natürlichen Bedingungen nicht erreichbar sind.
Unser Kryostat ist auch im Labor. Es ermöglicht optische Messungen mit demselben Quellensatz, jedoch bei niedrigen Temperaturen bis zu sieben Kelvin, was ungefähr -266 ° C entspricht.
Unter solchen Bedingungen kann eine Reihe einzigartiger Phänomene beobachtet werden, insbesondere die Art der starken Kopplung von Licht mit Materie, wenn ein Photon und ein Exziton (Elektron-Loch-Paar) ein einzelnes Teilchen bilden - ein Exzitonen-Polariton. Polaritonen haben große Perspektiven auf dem Gebiet des Quantencomputers und von Geräten mit starken nichtlinearen Effekten.
Auf dem Foto: INTEGRA-SondenmikroskopIm letzten Raum des Labors platzierten wir unsere Diagnosegeräte - ein
Rasterelektronenmikroskop und ein
Rastersondenmikroskop . Mit dem ersten können Sie ein Bild der Oberfläche eines Objekts mit hoher räumlicher Auflösung erhalten und die Zusammensetzung, Struktur und andere Eigenschaften der Oberflächenschichten jedes Materials untersuchen. Dazu scannt er sie mit einem fokussierten Elektronenstrahl, der durch Hochspannung dispergiert wird.
Ein Rastersondenmikroskop macht dasselbe mit einer Sonde, die die Oberfläche einer Probe abtastet. In diesem Fall ist es möglich, gleichzeitig Informationen über die „Landschaft“ der Oberfläche der Probe und über ihre lokalen Eigenschaften, beispielsweise elektrisches Potential und Magnetisierung, zu erhalten.
Auf dem Foto: Rasterelektronenmikroskop S50 (EDAX)Diese Instrumente helfen uns, die Proben für weitere optische Untersuchungen zu charakterisieren.
Projekte und Pläne
Eines der Hauptprojekte des Labors ist die
Untersuchung der hybriden Zustände von Licht und Materie in Quantenmaterialien - den oben bereits erwähnten Exzitonenpolaritonen. Ein Megagrant des Ministeriums für Bildung und Wissenschaft der Russischen Föderation widmet sich diesen Themen. Das Projekt wird von Maurice Shkolnik, einem führenden Wissenschaftler der Universität Sheffield, geleitet. Die experimentellen Arbeiten an dem Projekt werden von Anton Samusev durchgeführt, und der theoretische Teil wird vom Professor der Fakultät für Physik und Technologie Ivan Shelykh geleitet.
Das Laborpersonal untersucht auch Möglichkeiten, Informationen mithilfe von Solitonen zu übertragen. Solitonen sind Wellen, die nicht durch Dispersion beeinflusst werden. Aus diesem Grund „verschwimmen“ die mit Solitonen übertragenen Signale nicht, wenn sie sich ausbreiten, wodurch sowohl die Geschwindigkeit als auch die Übertragungsreichweite erhöht werden können.
Anfang 2018 stellten Wissenschaftler unserer Universität und Kollegen der Universität in Wladimir
ein Modell eines Festkörper-Terahertz-Lasers vor. Die Besonderheit der Entwicklung ist, dass die Terahertz-Strahlung durch Gegenstände aus Holz, Kunststoff und Keramik nicht "verzögert" wird. Aufgrund dieser Eigenschaft wird der Laser in Passagier- und Gepäckkontrollbereichen zur schnellen Suche nach Metallgegenständen eingesetzt. Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Restaurierung antiker Kunstwerke. Das optische System hilft dabei, Bilder zu erhalten, die unter Farb- oder Keramikschichten verborgen sind.
Wir planen, das Labor mit neuen Geräten auszustatten, um noch komplexere Studien durchführen zu können. Zum Beispiel, um einen abstimmbaren Femtosekundenlaser zu kaufen, der das Spektrum der untersuchten Materialien erheblich erweitern wird. Dies wird bei den Aufgaben im Zusammenhang mit der
Entwicklung von Quantenchips für Computersysteme der nächsten Generation hilfreich sein.
Wie die ITMO University funktioniert und wie sie lebt: