Anteriormente, mostramos nosso
fablab e
laboratório de sistemas ciber-físicos . Hoje você pode ver o laboratório óptico da Faculdade de Física e Tecnologia da Universidade ITMO.
Na foto: nanolitógrafo tridimensionalO laboratório de materiais quânticos de baixa dimensão pertence ao centro de pesquisa de nanofotônica e metamateriais (
MetaLab ), baseado na
Faculdade de Física e Tecnologia .
Seus funcionários estão
estudando as propriedades das
quasipartículas : plasmons, excitons e polaritons. Esses estudos possibilitarão a criação de computadores quânticos e ópticos completos. O laboratório está dividido em várias áreas de trabalho, cobrindo todas as etapas do trabalho com materiais quânticos de baixa dimensão: preparação de amostras, fabricação, caracterização e estudos ópticos.
A primeira zona está equipada com tudo o necessário para a preparação de amostras de
metamateriais .
Um limpador ultrassônico é instalado para limpá-los e, para garantir uma operação segura com álcoois, um poderoso exaustor é equipado aqui. Alguns materiais de pesquisa nos são entregues por laboratórios parceiros na Finlândia, Cingapura e Dinamarca.
Para esterilização de amostras na sala é um armário de secagem BINDER FD Classic.Line. Os elementos de aquecimento dentro dele mantêm uma temperatura de 10 a 300 ° C. Ele possui uma interface USB para monitoramento contínuo da temperatura durante todo o experimento.
A equipe do laboratório também usa esta câmera para testes de estresse e testes de envelhecimento. Tais experimentos são necessários para entender como os materiais e dispositivos se comportam sob certas condições: padrão e extremos.
Um nanolitógrafo tridimensional é instalado em uma sala adjacente. Permite fabricar estruturas tridimensionais com um tamanho de várias centenas de nanômetros.
O princípio de sua operação é baseado no fenômeno da polimerização de dois fótons. De fato, é uma impressora 3D que usa lasers para formar um objeto a partir de um polímero líquido. O polímero solidifica apenas no ponto em que o feixe de laser está focado.
Na foto: nanolitógrafo tridimensional
Diferente dos métodos litográficos padrão usados para criar processadores e trabalhar com camadas finas de materiais, o método de polimerização de dois fótons permite criar estruturas tridimensionais complexas. Por exemplo, são eles:
A próxima sala de laboratório é usada para experimentos ópticos.
Há uma grande mesa óptica com quase dez metros de comprimento, repleta de inúmeras instalações. Os principais elementos de cada instalação são fontes de radiação (lasers e lâmpadas), espectrômetros e microscópios. Um dos microscópios possui três canais ópticos ao mesmo tempo - superior, lateral e inferior.
Ele pode ser usado para medir não apenas os espectros de transmissão e reflexão, mas também a dispersão. Estes últimos fornecem informações muito ricas sobre nano-objetos, por exemplo, características espectrais e padrões de radiação de nanoantenas.
Na foto: o efeito da dispersão da luz nas partículas de silícioTodo o equipamento está localizado em uma mesa com um único sistema de supressão de vibração. A radiação de qualquer laser pode ser enviada para qualquer um dos sistemas ópticos e microscópios com apenas alguns espelhos e continuar a pesquisa.
Um laser de gás com um espectro muito estreito possibilita a realização de experimentos de
espectroscopia Raman . O feixe de laser é focado na superfície da amostra e o espectro da luz dispersa é registrado por um espectrômetro.
Os espectros mostram linhas estreitas correspondentes à dispersão inelástica da luz (com uma alteração no comprimento de onda). Esses picos fornecem informações sobre a estrutura cristalina da amostra e, algumas vezes, sobre a configuração de moléculas individuais.
Um laser de femtossegundo também é instalado na sala. É capaz de gerar pulsos de radiação laser muito curtos (100 femtosegundos - um dez trilhões de parte de um segundo) com grande potência. Como resultado, temos a oportunidade de estudar efeitos ópticos não lineares: a geração de frequências dobradas e outros fenômenos fundamentais inatingíveis em condições naturais.
Nosso criostato também está em laboratório. Permite medições ópticas com o mesmo conjunto de fontes, mas a baixas temperaturas de até sete Kelvin, que é aproximadamente -266 ° C.
Sob tais condições, vários fenômenos únicos podem ser observados, em particular, o modo de forte acoplamento da luz com a matéria, quando um fóton e um exciton (par elétron-buraco) formam uma única partícula - um exciton-polariton. Os polaritons têm grandes perspectivas nas áreas de computação quântica e dispositivos com fortes efeitos não lineares.
Na foto: microscópio de sonda INTEGRANa última sala do laboratório, colocamos nossos dispositivos de diagnóstico - um
microscópio eletrônico de varredura e um
microscópio de varredura . O primeiro permite obter uma imagem da superfície de um objeto com alta resolução espacial e investigar a composição, estrutura e outras propriedades das camadas da superfície de cada material. Para fazer isso, ele os examina com um feixe de elétrons concentrado disperso por alta tensão.
Um microscópio com sonda de varredura faz o mesmo com uma sonda que varre a superfície de uma amostra. Nesse caso, é possível obter simultaneamente informações sobre a “paisagem” da superfície da amostra e sobre suas propriedades locais, por exemplo, potencial elétrico e magnetização.
Na foto: microscópio eletrônico de varredura S50 (EDAX)Esses instrumentos nos ajudam a caracterizar as amostras para estudos ópticos adicionais.
Projetos e planos
Um dos principais projetos do laboratório é o
estudo dos estados híbridos de luz e matéria em materiais quânticos - os polaritons do exciton já mencionados acima. Um megagrant do Ministério da Educação e Ciência da Federação Russa é dedicado a esses tópicos. O projeto é liderado por um cientista líder da Universidade de Sheffield, Maurice Shkolnik. O trabalho experimental do projeto é conduzido por Anton Samusev, e a parte teórica é liderada pelo professor da Faculdade de Física e Tecnologia Ivan Shelykh.
A equipe do laboratório também está explorando maneiras de transmitir informações usando solitons. Solitons são ondas que não são afetadas pela dispersão. Devido a isso, os sinais transmitidos usando os solitons não "desfocam" à medida que se propagam, o que permite aumentar a velocidade e o alcance da transmissão.
No início de 2018, cientistas de nossa universidade e colegas da universidade de Vladimir
apresentaram um modelo de laser terahertz de estado sólido. A peculiaridade do desenvolvimento é que a radiação terahertz não é "retardada" por objetos feitos de madeira, plástico e cerâmica. Devido a essa propriedade, o laser será usado nas áreas de inspeção de passageiros e bagagens para busca rápida de objetos metálicos. Outra área de aplicabilidade é a restauração de obras de arte antigas. O sistema óptico ajudará a obter imagens ocultas sob camadas de tinta ou cerâmica.
Nossos planos são equipar o laboratório com novos equipamentos para realizar estudos ainda mais complexos. Por exemplo, para comprar um laser de femtossegundo ajustável, o que aumentará significativamente a gama de materiais em estudo. Isso ajudará nas tarefas associadas ao
desenvolvimento de chips quânticos para sistemas de computação de próxima geração.
Como a Universidade ITMO funciona e como ela vive: