Wetenschappers van MIPT, ITMO Universiteit (St. Petersburg), en hun collega's van de Australian National University hebben experimenteel aangetoond dat silicium nanodeeltjes de intensiteit van het Raman-effect aanzienlijk kunnen verhogen. Deze bevindingen kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van lichtemitters op nanoschaal en versterkers op nanoschaal voor glasvezeltelecommunicatielijnen. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in nanoschaal .

Gebruikelijk, wanneer licht interageert met materie, het verandert niet van kleur, d.w.z., de golflengte van het licht blijft hetzelfde. Er zijn uitzonderingen, echter, en een daarvan is het zogenaamde Raman-effect. In dit geval, invallend licht interageert op een zodanige manier met een molecuul dat de energie van het molecuul toeneemt met een waarde die overeenkomt met de trillingsbeweging van het molecuul. Het molecuul zendt dan opnieuw een foton uit met een lagere energie en dus een langere golflengte, wat betekent dat het licht "roder" wordt. Dit proces kan ook plaatsvinden in bulkkristallen.

De ontdekking van het Raman-effect lanceerde een heel nieuw gebied van toegepaste wetenschap:Raman-spectroscopie. Met deze methode kunnen onderzoekers individuele moleculen van chemische stoffen detecteren. In aanvulling, het Raman-effect wordt tegenwoordig veel gebruikt in glasvezelnetwerken voor signaalversterking.

Tot nu, golfgeleiders en bolvormige microholten groter dan de emissiegolflengte zijn voornamelijk gebruikt voor Raman-effectverbetering. Echter, miniaturisatie van telecommunicatieapparatuur vereist de ontwikkeling van kleinere optische componenten die minder energie verbruiken en gemakkelijker op een elektronische of optische chip kunnen worden "verpakt".

De wetenschappers, waaronder Denis Baranov van MIPT probeerde Raman-versterkers te miniaturiseren.

De onderzoekers gebruikten silicium nanosferen die optische resonanties ondersteunen, de zogenaamde Mie-resonanties. Ze bestaan ​​in alle bolvormige deeltjes en de golflengten van deze resonanties zijn afhankelijk van de deeltjesgrootte. Een van de resonanties die optreedt voor de grootste golflengte is de magnetische dipoolresonantie - de golflengte ervan is over het algemeen vergelijkbaar met de diameter van het deeltje. In silicium, echter, vanwege de grote brekingsindex, magnetische dipoolresonantie wordt waargenomen in het optische bereik (bij golflengten langer dan 300 nanometer) voor nanodeeltjes met een diameter van ongeveer 100 nanometer.

Dit feit maakt kleine silicium nanodeeltjes bruikbaar als miniatuurelementen om verschillende optische fenomenen te verbeteren, inclusief spontane lichtemissie, verbeterde lichtabsorptie, en hoge harmonische generatie.

In het experiment, de wetenschappers bestudeerden het gedrag van silicium nanodeeltjes van verschillende groottes. Om de grootte van de deeltjes te bepalen, ze legden ze onder een microscoop en verlichtten ze met wit licht. Deeltjes met verschillende diameters vertonen Mie-resonanties bij verschillende golflengten, wat resulteert in verschillende gloeiende kleuren in het donkerveldbeeld.

De wetenschappers testten vervolgens hoe de intensiteit van de Raman-emissie afhangt van de diameter van een siliciumdeeltje. De intensiteit van de Raman-emissie was maximaal bij de resonantiediameter van het deeltje, die volledig in overeenstemming was met de theorie die de auteurs hadden ontwikkeld. De intensiteit van de Raman-emissie van resonerende deeltjes was meer dan 100 keer groter dan die van niet-resonante deeltjes met andere diameters.

"Het Raman-effect is ongelooflijk nuttig in de praktijk, en zal niet alleen helpen bij het detecteren van microscopisch kleine hoeveelheden chemische verbindingen, maar ook bij het verzenden van informatie over lange afstanden. Vanwege het streven naar kleinere elektronische en optische apparaten, het wordt voor ons steeds belangrijker om te zoeken naar nanostructuren die dit effect kunnen versterken. Onze waarnemingen hebben een potentiële kandidaat aan het licht gebracht:nanodeeltjes van silicium, " zei Denis Baranov, een postdoctorale student van MIPT en een van de auteurs van het artikel.

Silicium nanodeeltjes zouden als basis kunnen dienen voor de ontwikkeling van optische miniatuurversterkers voor glasvezelnetwerken. In de toekomst, deze deeltjes zouden een platform kunnen bieden voor het bouwen van een compacte nanolaser met behulp van gestimuleerde Raman-verstrooiing, wat perspectieven biedt voor zeer interessante toepassingen in de geneeskunde en biomicroscopie. Vooral, door signalen van de Raman-emissie van deeltjes in het menselijk lichaam te detecteren, kunnen specialisten de beweging van medicijnmoleculen volgen.