Терагерцовое излучение поможет исследовать новые материалы
- 28.02.2018
Ученые Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) совместно с коллегами из Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН (НТЦУП РАН) и Российского университета дружбы народов (РУДН) провели серию экспериментов по исследованию термостимулированных поверхностных плазмон-поляритонов (ТППП). Это разновидность тепловых электромагнитных волн, которые распространяются на поверхности металлического тела, покрытого тонким слоем диэлектрика. Характеристики этого излучения напрямую зависят от свойств поверхности (длины, шероховатости, температуры), поэтому с его помощью ученые смогут исследовать новые полимерные материалы, например, графен и углеродные нанотрубки. Результаты опубликованы в журнале Infrared Physics & Technology. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ (№17-302-500-10).
Поверхностными плазмон-поляритонами (ППП) физики называют электромагнитные волны, которые возникают на границе раздела сред проводник – диэлектрик. Классические поверхностные волны возбуждаются внешним источником, а термостимулированные – за счет тепловых флуктуаций (колебаний) плотности электронов, поэтому источником ТППП может служить любая нагретая поверхность. ТППП возникают одновременно по всей площади, а на краю поверхности превращаются в обычную объемную волну, которая регистрируется при помощи чувствительных датчиков инфракрасного излучения.
Ученые разработали теоретическую модель возбуждения ТППП и провели серию экспериментов, которые показали, что интенсивностью и спектром излучения можно управлять: на них влияют температура и длина образца. Чем он длиннее, тем сильнее спектр излучения смещен в длинноволновую область. Соответственно, по характеристикам теплового излучения можно точно определить температуру объекта, а также сделать выводы о свойствах поверхности.
«На краю образца мы в основном имеем дело с длинноволновым излучением терагерцового диапазона. Известно, что такое излучение затухает медленнее, чем более короткие волны, которые традиционно используются в пирометрии, – рассказывает старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук ИЯФ СО РАН Василий Герасимов. – Здесь появляется определенное преимущество, особенно если речь идет о низких – азотных или гелиевых – температурах, которые обычный пирометр (прибор для бесконтактного измерения температуры, регистрирующий тепловое излучение) просто не сможет измерить. Конечно, в быту мы не сталкиваемся с такими задачами, но, например, при исследовании различных материалов, свойства которых меняются при сильном понижении температуры, терагерцовый пирометр может быть очень полезен».
Характеристики поверхностных волн зависят не только от температуры, но также от длины и других свойств образца, например, наличия тонких пленок на внешнем слое. Поэтому поверхностные плазмон-поляритоны могут помочь при исследовании различных полимерных материалов и биологических объектов, нанесенных на поверхность проводника. По словам Василия Герасимова, поверхностные плазмон-поляритоны инфракрасного диапазона хорошо распространяются по графену и углеродным нанотрубкам, а проводимость графена, которая меняется в зависимости от температуры – это очень перспективное направление исследований.
Экспериментальный график
«В Москве нет возможности проводить эксперименты по данной теме, так как нет специального оборудования, например, оптоакустических приемников, которые измеряют интенсивность излучения, синхронных детекторов, которые повышают сигнал от приемника, а также оптических терагерцовых элементов. Они необходимы для наших экспериментов. Дело в том, что оборудование, которое используется для экспериментов с Новосибирским лазером на свободных электронах, подходит и для экспериментов, как наш, где внешний источник излучения не используется. Поэтому я приехала сюда. Мы нагреваем или охлаждаем тело и регистрируем его излучение на ребре образца», – прокомментировала Та Тху Чанг, аспирантка РУДН, которая планирует защитить диссертацию по этой теме.
«После защиты я надеюсь стать преподавателем. Я хотела бы работать в Педагогическом институте в Ханое, где училась перед отъездом в Россию. Каждый год несколько сотен вьетнамских студентов приезжает по государственным программам за высшим образованием в Россию», – отметила Та Тху Чанг.
Та Тху Чанг и Василий Герасимов
Новосибирский лазер на свободных электронах – одна из уникальных установок, на базе которой работает Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения ИЯФ СО РАН. В центре действует несколько станций, на которые для проведения экспериментов приезжают пользователи из российских университетов и исследовательских институтов Москвы, Санкт-Петербурга, Нижнего Новгорода, Самары, а также Южной Кореи, Германии, США. Здесь проводятся научные исследования в области изучения кинетики химических реакций, молекулярной спектроскопии, молекулярного магнетизма, биологии, медицины, физики полупроводников, материаловедения и физической оптики. В частности, в изучении свойств поверхностей при помощи излучения ЛСЭ участвуют новосибирский и московский госуниверситеты, РУДН, Институт физики полупроводников СО РАН, Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, ИЯФ СО РАН.