ИСТИНА

Кремниевые наночастицы вызывают большой интерес как альтернатива плазмонным наноструктурам при разработке метаматериалов и наноантенн. Высокий показатель преломления и относительно низкие потери в видимом диапазоне обуславливают уникальные оптические свойства кремниевых наночастиц. На данный момент одним из наиболее эффективных и доступных методов изготовления кремниевых наночастиц является метод лазерной абляции, в ходе которого получают большое количество частиц формы, близкой к сферической, в широком диапазоне размеров. Проект направлен на решение фундаментальной проблемы, связанной с их сортировкой по размеру. Это может открыть новые возможности при создании устройств на основе кремниевых наночастиц. В проекте предлагается использовать уникальные резонансные оптические свойства самих кремниевых частиц для их высокоэффективной сортировки. Характеристики резонансов Ми в диэлектрических наночастицах существенно зависят от их размера. Возбуждение резонансов рассеяния Ми в таких частицах обуславливает существенно немонотонный характер зависимости силы давления, действующей на частицу со стороны монохроматического оптического излучения, от размера этой частицы. Для свободной частицы в жидкости эта сила должна компенсироваться вязким трением среды, в которой находится частица. Таким образом, при облучении взвешенной в жидкости наночастицы лазерным пучком она должна двигаться со скоростью, зависящей от геометрических характеристик этой частицы. С другой стороны, развитие методик оптического управления наночастицами само по себе является важной фундаментальной задачей. В ходе работы предлагается реализовать методику управления наночастицами с помощью поля блоховских поверхностных электромагнитных волн в фотонном кристалле. В процессе сортировки частицы будут притягиваться к поверхности одномерного фотонного кристалла за счет градиентных оптических сил со стороны поля блоховской поверхностной волны, возбужденной в фотонном кристалле лазерным излучением. Из-за рассеяния оптического излучения поверхностной волны частицы также должны двигаться вдоль поверхности фотонного кристалла со скоростью, связанной с эффективностью рассеяния частиц на длине волны возбуждения поверхностной волны. В одной области поверхности фотонного кристалла представляется возможным возбудить поверхностные электромагнитные волны одновременно на двух длинах волн, при этом можно сделать так чтобы они распространялись в перпендикулярных направлениях. В экспериментах в рамках проекта предлагается осуществить сортировку кремниевых частиц с диаметром порядка 100 нм с помощью двух лазерных пучков с длинами волн 532 и 638 нм. Эти пучки будут создавать в одной области одновременно две поверхностные волны, распространяющиеся ортогонально друг другу. Не только скорость, но и направление движения частицы, будет зависеть от размера частицы. В таком случае частица, удерживаемая полем поверхностной волны у поверхности фотонного кристалла, будет двигаться со скоростью и в направлении, зависящими от размера частицы. Несмотря на относительную простоту предлагаемого эксперимента по оптической сортировке наночастиц и его прикладную значимость, на настоящий момент в литературе отсутствуют упоминания о реализации подобного метода сортировки, то есть предлагаемый метод сортировки является новым и оригинальным. Поставленная научная проблема также является актуальной с точки зрения фундаментального изучения оптических сил. Полученные результаты могут быть обобщены на более широкий класс нано- и микрочастиц, а метод их управления и сортировки на основе поверхностных волн в полностью диэлектрических фотонных кристаллах может найти применения в устройствах микрофлюидики и системах полного анализа (lab-on-chip). Одним из методических аспектов проекта, является применение методики оптического пинцета. Это метод полностью оптического управления пространственным положением микро- и нанообъектов позволит выделять, управлять и исследовать отдельные наночастицы. Это позволит экспериментально получить спектры резонансного рассеяния оптического излучения конкретными одиночными частицами, а следовательно, рассчитать их размер и количественно определить силовое воздействие со стороны внешнего по отношению к оптической ловушке излучения на эти частицы.

Silicon nanoparticles are of great interest for development of metamaterials and nano-antennas as an alternative to plasmoninc nanostructures. A high refractive index and relatively low losses in the visible range cause unique optical properties of silicon nanoparticles. At the moment, one of the most effective and affordable methods for manufacturing silicon nanoparticles is the laser ablation method, which can obtain a large number of particles with shape close to spherical in wide range of sizes. The project is aimed to solve the fundamental problem associated with the particle sorting by size. It can open up new opportunities for creating devices based on silicon nanoparticles. The project proposes to use the unique resonant optical properties of the silicon particles themselves for their high-efficient sorting. The characteristics of the Mie resonances in dielectric nanoparticles depend substantially on particles’ sizes. The excitation of the Mie resonances in such particles causes a substantially non-monotonic dependence character of the pressure force acting on the particle from the monochromatic optical radiation on the particle size. For a free particle in a fluid, this force must be compensated by the viscous friction of the medium in which the particle is located. Thus, optical radiation of laser beam must move suspended nanoparticle with a velocity that depends on the geometric characteristics of this particle. On the other hand, the development of methods for optical control of nanoparticles is an important fundamental task itself. In the project, it is proposed to realize a technique to control the movement of nanoparticles by optical field of Bloch surface electromagnetic waves in a photonic crystal. During sorting, the particles will be attracted to the surface of a one-dimensional photonic crystal due to gradient optical forces from the field of a Bloch surface wave excited in a photonic crystal by laser radiation. Because of the optical radiation scattering from the surface wave, the particles must also move along the surface of the photonic crystal at a rate associated with the scattering efficiency of the particles at the wavelength of radiation that excites surface wave. In the one region of the photonic crystal surface, it is possible to excite surface electromagnetic waves simultaneously at two wavelengths, and the surface waves can propagate in perpendicular directions. In the experiments planned for project, it is proposed to sort the silicon particles with a diameter of the order of 100 nm by two laser beams with wavelengths of 532 and 638 nm. These beams will create in one region simultaneously two surface waves propagating orthogonally to each other. Not only the velocity but also the direction of motion of the particle will depend on the particle size. In this case, the particle held by the field of the surface wave near the surface of the photonic crystal will move with velocity and in a direction that depend on the particle size. Despite the relative simplicity of the proposed experiment on the optical sorting of nanoparticles and its applied significance, no one still have mentioned in the literature the observation of the process, thereby the proposed sorting method is new and original. The scientific problem of project is relevant from the point of view of a fundamental study of optical forces. The obtained results can be generalized to a wider class of nano- and microparticles, and the method of their control and sorting based on surface waves in all-dielectric photonic crystals can find applications in microfluidics devices and lab-on-chip systems. One of the methodological aspects of the project is the application of optical tweezers technique. This method of all-optical control of the spatial position of micro- and nanoobjects will allow to separate, control and investigate individual nanoparticles. This will make it possible to experimentally obtain the spectra of resonance scattering of optical radiation by specific single particles and, consequently, to calculate their size and quantitatively determine the force action from the external radiation with respect to the optical trap for these particles.

В ходе выполнения проекта будет создана новая методика сортировки кремниевых наночастиц по размеру, что является крайне актуальной задачей. В настоящее время кремниевым наночастицам в научной литературе уделяется большое внимание, поскольку они активно используются для управления оптическими пучками, для усиленной генерации оптических гармоник, в оптическом переключении, а также применяются в биологических и медицинских исследованиях. Интерес к кремниевым наночастицам также подогревает прогресс в новом направлении фотоники - полностью диэлектрической нанофотонике (all-dielectric nanophotonics) как альтернативы наноплазмонике. Устройства диэлектрической нанофотоники обладают существенно более низкими оптическими потерями и допускают интеграцию в технологии современной кремниевой микроэлектроники. Было показано, что для создания искусственного фотонного метаматериала в качестве строительного блока можно применять не только плазмонные мета-структуры, но и структуры из кремния. Кремний обладает высоким показателем преломления и низким поглощением в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн. На данный момент наиболее эффективным и доступным методом изготовления кремниевых наночастиц является метод лазерной абляции, в ходе которого получают большое количество частиц в широком диапазоне размеров. Использование метода сортировки, который будет разработан и реализован в рамках проекта, позволит выделять из подобных суспензий частицы строго определенного размера, либо проводить диагностику суспензий наночастиц. Данный метод может быть реализован на микрофлюидном чипе, и создание технологии на основе этого метода выглядит перспективным не только с точки зрения фундаментальной науки, но и в контексте технических разработок.