Миссия фонона. Как квазичастица помогает совершенствовать лазеры - Поиск - новости науки и техники
Поиск - новости науки и техники

Миссия фонона. Как квазичастица помогает совершенствовать лазеры

Частицы под названием фонон в природе не существует, ее придумали ученые для того, чтобы описывать движения атомов в твердых телах и даже создавать лазеры. Кандидат физико-математических наук заведующий учебной лабораторией прикладной химии, старший преподаватель Высшей школы физики и технологий материалов Санкт-Петербургского политехнического университета Виктор КЛИНКОВ активно использует это понятие при изучении низкофононных лазерных сред, активированных редкоземельными ионами. Тема, которой он занимается, поддержана грантом Президента РФ для молодых ученых.

– Понятие «фонон» применяется как аналог элементарной частицы – фотона, – вводит в курс дела Виктор. – Можно сказать, это квант колебательного движения атомов. Процесс термического возбуждения этих квазичастиц можно рассматривать как модель тепловых колебаний (осцилляции) атомов в конденсированных материалах, что упрощает исследовательский процесс в рамках нашего проекта.

Частоты, на которых могут осциллировать атомы вещества, определяют его фононный спектр. Эта величина зависит от природы элементов, от связей между ними, что и формирует материал. Например, для силикатных стекол и кристаллов характерен широкий фононный спектр – порядка 1200-1400 обратных сантиметров (в оптике и спектроскопии наряду с понятием «длина волны» λ часто используется понятие «волновое число» ν, которое выражается в обратных сантиметрах).

– Для чего нужно измерять значения фононного спектра?
– Это помогает при анализе и расчете многих физических свойств твердых тел, где учитывается взаимодействие между атомами. Чем он шире, тем больше потери энергии, так как значительная ее часть поглощается фононными колебаниями. Поэтому для создания таких устройств, как лазеры, важно вести поиск материалов с малой величиной фононного спектра.

– Какие именно материалы вы используете в работе?
– Классические стеклообразные матрицы – фосфатные и силикатные – уже досконально изучены. Мы исследуем и разрабатываем новые классы оптических стекол, содержащих ионы с особым расположением энергетических уровней. Это и есть низкофононные среды – материалы, энергии колебательного кванта, решетки которых имеют меньшие значения, чем в классических оксидных материалах. Это, например, галогенидные и халькогенидные стеклообразные материалы. В них атомы кислорода заменены на галогены или халькогены. У галогенидных фононный спектр – 500-700, а у халькогенидных – 200-400.

Наша лаборатория давно работала с халькогенидами. Но никто в ней не занимался люминесцентными материалами, вот я решил, что будет интересно нацелиться на изучение люминесцентных свойств в галогенидных, халькогенидных стеклах и стеклах на основе тяжелых металлов. Стоит отметить, что далеко не все химические соединения могут стекловаться, то есть формировать стекло. Большая часть халькогенидов такой способностью обладает.

– А для каких целей предназначены редкоземельные элементы?
– Халькогениды и галогениды являются стеклообразной основой, матрицей, которая сама по себе не обладает люминесцентными свойствами. Но если ее активировать, то есть внести в такую матрицу ионы оптически активных элементов, таких как редкоземельные, то могут наблюдаться излучательные переходы. Редкоземельные элементы придают стеклам фотолюминесцентные свойства (наличие полос излучения при фотовозбуждении). При воздействии излучения определенной длины волны электроны переходят в одно из возбужденных энергетических состояний, обратный переход из которых может сопровождаться люминесценцией.

Среди редкоземельных элементов самые популярные – ионы эрбия, неодима, иттербия, тулия, гольмия. Мы в основном используем ионы эрбия. Они обладают полосами люминесценции в видимой, ближней и средней инфракрасной областях, то есть в зависимости от задачи на его основе могут быть получены устройства для разных спектральных областей. Синтезировали стекла и с другими редкоземельными ионами, но все-таки основными являются ионы эрбия.

– Как эти знания могут быть использованы для усовершенствования лазеров?
– Собственно, на основе кристаллов, активированных такими ионами, и были впервые созданы твердотельные оптические квантовые генераторы – лазеры, широко ныне применяемые в различных отраслях. Кристаллы или стекла, использующиеся в них, называются лазерными средами или матрицами.

На эффективность лазерной генерации (отношение числа испускаемых при люминесценции квантов к числу поглощенных квантов возбуждения) влияет множество факторов, один из главных – свойства оптической матрицы используемых стекол или кристаллов. От величины их фононного спектра зависят процессы испускания фотонов. Поэтому большое число исследований сегодня направлено на поиск новых составов материалов, обладающих низкофононным колебательным спектром. Это обеспечит снижение безызлучательных потерь, а как следствие, повысит эффективность и мощность таких устройств. Это очень важно в таких областях, как медицина, телекоммуникации и экология.

– Подобные усовершенствованные стеклообразные материалы уже где-то используются?
– Создание таких стекол в силу ряда особенностей было затратным, и это долгое время препятствовало их широкому использованию. Однако сейчас благодаря развитию технологий они стали применяться в некоторых областях науки. Например, на основе фторцирконатного стекла, активированного ионами эрбия, разработаны лазеры, работающие при комнатной температуре в непрерывном режиме на длине волны 2,7 микрометра. Это позволяет использовать такой лазер в качестве скальпеля, что очень важно, например, для медицины.

– Синтез соединений – это химия, а лазеры – физика. Как точно определить направление, в котором вы ведете исследования?
– Да, область науки, которой мы сейчас занимаемся, нельзя отнести только к физике, это, скорее, симбиоз химии, физики и химической технологии. Самое приятное в такой работе – это возможность почувствовать, как ты можешь своими руками менять свойства материала, незначительно изменив один из множества параметров при проведении синтеза. Возможно, именно это лично для меня и повлияло на выбор специфики проекта.

– А в целом насколько активно в мире разрабатывается ваше направление исследований?
– Лабораторий, которые занимаются подобными материалами, немного. Всего пара десятков – в Америке, Бразилии, Франции, Сербии, Чехии. У каждой своя специфика. Мы сотрудничаем с некоторыми из них, прежде всего с теми, где есть интересные для нас приборы.

– Что уже сделано в рамках проекта и чего собираетесь добиться?
– Эту работу мы ведем более четырех лет, по ее первым результатам в 2019 году я защитил кандидатскую диссертацию. Также мы разработали материал для чувствительного элемента люминесцентного температурного сенсора, в котором по изменению спектра излучения можно определить абсолютную температуру с рекордной чувствительностью. Такие температурные сенсоры можно использовать в экстремальных условиях, они необходимы в биомедицине, энергетике, научных исследованиях. Для лучших образцов температурная чувствительность составила 6,9 на десять в минус третьей степени градусов Цельсия, что близко к максимальным мировым величинам, полученным по этой методике.

Известно, что в процессе проведения исследования появляются новые области, поэтому сейчас трудно загадывать, чем именно мы будем заниматься через пару лет. Например, последние полгода работаем над получением нанокристаллов галогенидных перовскитов в боросиликатном стекле. Я надеюсь, что наши результаты найдут практическое применение и позволят не только усилить научную школу оптического материаловедения, но и сформировать новые научные направления фундаментальных исследований.

Василий Янчилин

Нет комментариев

Загрузка...
Новости СМИ2