2. Основные физические явления в нанофотонике.

В нанофотонике множество физических явлений имеют место быть благодаря взаимодействию света с наноразмерными структурами. Рассмотрим основные из них.

Плазмонный резонанс.

Плазмонный резонанс - явление коллективного осциллирования свободных электронов на поверхности металлов под воздействием электромагнитного поля. Это явление особенно выражено в наночастицах благородных металлов, таких как золото и серебро, из-за высокой плотности свободных электронов.

Когда свет попадает на металлическую наночастицу, электромагнитная волна возбуждает поверхностные плазмоны - коллективные колебания электронов на границе металл-диэлектрик. Эти колебания усиливают локальное электрическое поле вблизи наночастиц, что может значительно увеличивать поглощение и рассеяние света.

Плазмонные резонансы используются в сенсорах, медицинских диагностических системах, улучшении эффективности солнечных элементов, а также в усилении оптических сигналов.

Локализованное поверхностное плазмонное резонансное излучение (LSPR).

LSPR является разновидностью плазмонного резонанса, происходящего в наночастицах и наноструктурах с сильно локализованными полями.

В отличие от поверхностных плазмонов, распространяющихся по поверхности больших структур, LSPR связан с стоячими волнами плазмонов в наночастицах. Резонансная частота зависит от формы, размера и материала наночастиц.

Используется в биосенсорах для детекции малых концентраций биомолекул, благодаря высокой чувствительности к изменениям окружающей среды.

Эффект Мие.

Эффект Мие описывает рассеяние света на сферических частицах, размеры которых порядка длины волны падающего света.

Неупругое рассеяние света на частицах происходит вследствие взаимодействия электромагнитной волны с электрическим диполем, индуцированным в частице. Для частиц размером меньше длины волны светового спектра наблюдается характеристическое угловое распределение интенсивности рассеянного света.

Этот эффект важен для понимания взаимодействия света с атмосферными пылевыми частицами, а также при разработке наночастиц для медицинских и оптических устройств.

Квантовые точки.

Квантовая точка (КТ) — наноразмерный полупроводниковый кристалл, обладающий собственными квантовыми свойствами.

В квантовых точках электроны и дырки ограничены в трех измерениях, что приводит к дискретизации энергетических уровней. Энергетический зазор между уровнями зависит от размера квантовой точки: уменьшение размера приводит к увеличению энергии зазора, что называется квантовым ограничением.

КТ используются в светодиодах, нанолазерах, биотегах для детекции с высокой чувствительностью и селективностью.

Фотонные кристаллы.

Фотонные кристаллы — это материалы с периодической структурой, изменяющей преломление света так, что создаются запрещенные зоны для фотонов.

В фотонных кристаллах изменяется путь распространения фотонов, что приводит к созданию запрещенных зон, в которых свет определенной длины волны не может распространяться. Это явление сходно с запрещенными зонами для электронов в полупроводниках.

Используются в оптических волокнах для создания оптических фильтров и управляемых лазеров, а также в высокоэффективных светодиодах.

Метаматериалы.

Метаматериалы — это искусственно созданные материалы, имеющие свойства, не встречающиеся в природе. Они получают уникальные оптические свойства благодаря наноструктурной организации.

Метаматериалы могут иметь отрицательный коэффициент преломления, благодаря контролируемому распределению наноструктур, которые управляют электромагнитным откликом материала.

Используются для создания сверхлинз, которые позволяют получать разрешение ниже дифракционного предела, а также для камуфляжа и маскировки, направляя свет в обход объектов.

Основные физические явления в нанофотонике связаны с управлением и манипулированием светом на наноразмерном уровне. Понимание этих явлений открывает новые возможности для разработки инновационных технологий в различных областях науки и техники.