Эхо в памяти. Старый эффект в новом прочтении.

Сколько раз природа доказывала, что памятью обладают не только живые существа, но и неодушевленные объекты. И все равно каждый раз новое подобное явление вызывает невольное восхищение. Например, некоторые вещества способны запоминать уже угаснувшее воздействие на них лазерным излучением и воспроизвести его самостоятельно. Этот эффект называется фотонным эхом. Его теоретически предсказали советские ученые более полувека назад. А сейчас на его основе активно развивается перспективный научный метод. Его использует заведующий учебной лабораторией кафедры теоретической физики кандидат физико-математических наук Камиль КАРИМУЛЛИН из Московского педагогического государственного университета при исследовании нанокомпозитов с полупроводниковыми квантовыми точками методами селективной лазерной спектроскопии с высоким временным и пространственным разрешением. Молодой ученый рассказал нашему корреспонденту о любопытных особенностях своей работы.

— Нанокомпозиты — это материалы, созданные путем внедрения наноразмерных частиц в структурообразующую твердую матрицу, — рассказывает Камиль Равкатович. — Мы изучаем нанокомпозиты с полупроводниковыми нанокристаллами — так называемыми квантовыми точками. В качестве матриц используем различные полимеры, органические молекулярные кристаллы и стекла.

Квантовые точки обладают рядом необычных фотофизических и спектральных свойств, которые определяются их структурой, размерами, а также особенностями взаимодействия с ближайшим окружением. Сейчас огромное количество исследователей проявляют интерес к этим объектам. На основе материалов с квантовыми точками производят эффективные и экономичные светоизлучающие устройства, криптографические люминесцирующие покрытия, метки для защиты ценных бумаг, бланков и других документов от подмены или подделки. Ведется поиск новых активных сред для лазерной генерации, элементов для фотовольтаических устройств. Флуоресцентные метки на основе полупроводниковых нанокристаллов представляют большую ценность для решения широкого круга диагностических задач, в том числе в биологии и медицине.

Для различных применений необходимо научиться внедрять квантовые точки внутрь твердотельной матрицы. Это позволит, во-первых, зафиксировать их, во-вторых, предохранить от окисления и разрушения. И в-третьих, композиция материалов дает возможность получить новые полезные свойства. 

Как правило, для изготовления композитов используют специально синтезированные в коллоидных растворах полупроводниковые нанокристаллы, которые затем внедряют внутрь твердотельного материала. Однако квантовые точки можно выращивать и непосредственно внутри прозрачного твердого тела. В нашем проекте мы, например, изучаем застеклованные нанокомпозиты на основе квантовых точек, выращенных в жидкокристаллической фазе материала матрицы. Когда создаются такие структуры, рост нанокристаллов происходит при высокой температуре внутри жидкокристаллической матрицы, а при быстром понижении температуры происходит кристаллизация материала и образуется стеклованный нанокомпозит с квантовыми точками.

— Создание новых нанокомпозитов невозможно без всестороннего изучения фундаментальных фотофизических свойств как отдельных квантовых точек, так и механизмов их взаимодействия между собой и с материалом матрицы. Методы оптической спектроскопии примесного центра, в особенности спектроскопия высокого временного и спектрального разрешения, — это незаменимые инструменты для получения такой информации.

Техника селективной лазерной спектроскопии давно и успешно применяется в исследованиях самых разных твердых тел — полимеров, стекол, замороженных жидкостей. Суть этого метода в том, что примесные излучающие центры (до последнего времени обычно использовались молекулы органических красителей), которые в небольшом количестве добавляются в изучаемую среду, могут при определенных условиях играть роль чувствительных спектральных зондов. Имея размер около нескольких нанометров, такие “наношпионы” дают возможность “заглянуть” внутрь вещества и посмотреть, исследовать его структуру и динамику с высоким временным и пространственным разрешением. 

Пространственное разрешение методов селективной лазерной спектроскопии может достигать уровня отдельных молекул. Еще в 1989 году Уильям Мернер и Лотар Кадор доказали, что можно обнаружить свечения одиночных молекул в твердой матрице. К слову, за эти пионерские работы и дальнейшее развитие методов спектроскопии одиночных молекул Уильям Мернер был удостоен Нобелевской премии по химии в 2014 году.

С другой стороны, в физике чрезвычайно важную роль играют методы исследования с высоким временным разрешением, которые позволяют изу­чать различные динамические процессы. Техника, которую мы используем для достижения высокого разрешения во времени, называется “фотонное эхо”. Это одно из самых удивительных и красивых явлений в оптике. Осветив исследуемый образец очень короткой лазерной вспышкой — импульсом, мы можем заставить все излучающие центры в веществе “светиться” согласованно (когерентно). 

Если затем выключить такую вспышку, то свечение быстро пропадет из-за различных релаксационных процессов внутри вещества. Однако оказывается, что, осветив образец спустя некоторое время еще одним специально приготовленным импульсом, мы можем заставить частицы “вспомнить” первую вспышку и практически по заказу воспроизвести ее вновь. Это достигается за счет обратного течения релаксационных процессов, приводящих к затуханию свечения. 

Исследуя такой световой отклик от большого числа примесных центров, внедренных в изучаемую среду, в зависимости от различных условий, мы можем получать информацию о процессах, протекающих внутри вещества. При этом временное разрешение метода фотонного эха может достигать десятков фемтосекунд (квадриллионных долей секунды). 

Отличительная особенность нашего проекта — это совместное использование методов высокого пространственного и высокого временного разрешения, что позволит не только получить подробную картину устройства вещества на микроскопическом уровне, но и проследить за эволюцией такой картины во времени. 

— Если говорить о цели нашего проекта, то это получение информации о внутренних свойствах нанокомпозитов с квантовыми точками, которая может оказаться полезной при разработке новых материалов с наперед заданными оптическими свойствами и приборов на их основе. Особый интерес представляют новые данные о различных внутри- и межмолекулярных процессах, пространственной диффузии частиц, конформационных изменениях в сложных молекулах и молекулярных комплексах, микроскопической природе старения материалов, динамике одиночных нанообъектов и ее связи со свойствами объемного материала.

— Говорят, что без прошлого нет будущего. Нам есть что помнить и чем гордиться, и это помогает определить, куда двигаться дальше. Во время учебы в вузе и аспирантуры мне посчастливилось работать в научной группе под руководством профессора Виталия Владимировича Самарцева в Казанском физико-техническом институте, где в 1962 году было теоретически предсказано явление фотонного эха. После защиты кандидатской диссертации я поступил на работу в Институт спектроскопии Российской академии наук (ИСАН), где в 1970-е годы разработали методы селективной лазерной спектроскопии: выжигание стабильных спектральных провалов и спектроскопия одиночных молекул. 

Создание и развитие этих методов связано с именем советского физика-спектроскописта Романа Ивановича Персонова, который руководил нашей лабораторией с 1970 по 2002 год. И наконец, по приглашению заместителя директора ИСАН, заведующего кафедрой теоретической физики Московского педагогического государственного университета профессора РАН Андрея Витальевича Наумова, я принял участие в восстановлении лаборатории оптики. С ней связано имя выдающегося советского физика, педагога, редактора журнала “Успехи физических наук” Эдуарда Владимировича Шпольского. Открытый им эффект возникновения квазилинейчатых спектров люминесценции и поглощения в специально подобранных н-парафиновых матрицах при низкой температуре — эффект Шпольского — прибрел всемирную известность, а самого Эдуарда Владимировича по праву можно назвать одним из основателей селективной оптической спектроскопии. 

В 2015 году кафедра теоретической физики приказом ректора МПГУ была названа именем Шпольского. Стоит отметить, что Персонов был учеником Эдуарда Владимировича Шпольского, а мой научный консультант Наумов — аспирантом Персонова. Вот такая преемственность научных поколений.

Мы очень надеемся, что удастся восстановить на новом уровне лабораторию оптики и учебно-научный центр спектроскопии сложных органических соединений в Институте физики МПГУ. В планах — обновление и создание новых экспериментальных установок, которые позволят исследовать нанокомпозиты с квантовыми точками и органическими молекулами с высоким спектральным разрешением, а также в режиме детектирования одиночных квантовых излучателей в широком диапазоне температур — от температуры жидкого гелия вплоть до комнатной. 

Наша вторая экспериментальная площадка находится в ИСАН, где мы проводим исследования нанокомпозитов методом фотонного эха с высоким временным разрешением. Таким образом, мы рассчитываем реализовать методику для комплексной характеризации новых материалов с полупроводниковыми квантовыми точками.

Хочу также отметить, что мы стараемся регулярно представлять результаты исследований на научных конференциях и школах в России и за рубежом. Сами также активно участвуем в организации научных мероприятий. В октябре прошлого года мы провели 25-й Съезд по спектроскопии и молодежную школу по оптике и спектроскопии (www.spectroscopy.su). В сентябре этого года организовали международный симпозиум по фотонному эху и когерентной спектроскопии (www.pecs.su), а в 2018 году будем проводить одно из крупнейших мероприятий по нашей тематике — международную конференцию по выжиганию спектральных провалов и спектроскопии одиночных молекул (www.hbsm2018.ru).