Полупроводниковые лазеры, излучающие фотоны при "аннигиляции" электронов и дырок, сегодня используются в самых разных устройствах, от линий оптических телекоммуникаций и DVD-приводов до лазерных указок и систем безопасности.
Однако излучение этих, как правило, миниатюрных устройств мало похоже на идеальные лучи классических рубиновых лазеров с длинным зеркальным резонатором. Длина активной зоны полупроводникового лазера невелика, а диаметр сопоставим с излучаемой длиной волны. Поэтому из-за дифракции излучение таких лазеров сильно расходится и фактически представляет собой конус с углом раствора в несколько десятков градусов.
Чтобы собрать конус в узкий луч, обычно используют специальные высококачественные линзы, которые сильно усложняют и удорожают конструкцию и к тому же значительно увеличивают размеры устройства.
Теперь ученые смогут заменить дорогую линзу тонкой металлической фольгой со щелью и канавками, наносимой на торец лазера при изготовлении. Для экспериментов был выбран квантовый каскадный лазер, излучающий на длине волны 9,9 мкм.
На его торец был нанесен изолированный слой золота толщиной 1,7 мкм с щелью шириной около двух микрон напротив активной зоны лазера. Параллельно щели на фольге ионным пучком была изготовлена серия канавок шириной 0,8 и глубиной 1,5 мкм на расстоянии 8,9 мкм друг от друга.
Это на первый взгляд простое устройство, совсем не похожее на обычную линзу, работает следующим образом. Проходя сквозь щель, излучение лазера частично поглощается, возбуждая в фольге поверхностные плазмоны — коллективные колебания электронного газа металла и электромагнитного поля.
Плазмоны, распространяясь по фольге, встречают на своем пути канавки и рассеиваются на них, вновь частично трансформируясь в электромагнитные волны с той же частотой, что и излучение лазера. Размеры канавок и расстояние между ними подобраны так, чтобы волны интерферировали с излучением лазера и усиливали узкий пучок, гася все, что излучается под большими углами. Так удалось более чем в 25 раз уменьшить угол расхождения луча, с 63 до 2,4 градуса, при весьма небольших потерях энергии.
В экспериментах с успехом была проверена и другая конструкция металлической линзы. Канавки были нанесены прямо на полупроводник, а затем, после тонкого слоя изолятора, был нанесен слой металла толщиной всего 400 нм. Эта конструкция требует меньше золота, более практична, но все еще плохо приспособлена для массового производства.
К сожалению, полосатая плазмонная линза концентрирует луч лишь в одном измерении, и он по-прежнему сильно расходится в направлении, параллельном канавкам. Но работоспособность концепции уже доказана, и сейчас ученые заняты расчетом и изготовлением полноценной двумерной плазмонной линзы, в которой параллельные канавки будут заменены концентрическими кругами. Кроме того, идет поиск других технологий изготовления плоских плазмонных линз, которые лучше подойдут для массового производства. ГА
Сколько вешать в зептограммах?
Физикам из Калифорнийского университета в Беркли удалось изготовить устройство, способное взвесить один атом золота. Точность новых наномеханических весов из единственной углеродной нанотрубки, достигающая пяти сотых зептограмма (10-21 г), побила все рекорды.
Двухслойную углеродную нанотрубку диаметром около двух нанометров и длиной двести нанометров одним концом прикрепили к отрицательному электроду. Рядом с другим свободно болтающимся концом нанотрубки поместили положительно заряженный электрод так, чтобы электроны с конца нанотрубки могли на него туннелировать. Такая механическая система имеет собственную резонансную частоту колебаний, которая зависит от массы нанотрубки и уменьшается, если к трубке что-то прикреплено. Измеряя туннельный ток, можно следить за изменением частоты колебаний системы и по ней судить о массе прикрепленного объекта.
Свое устройство ученые назвали наномеханическим массспектрометром. Идея такого прибора отнюдь не нова. Раньше похожие весы делали из кремния с помощью полупроводниковых технологий, однако их размеры были на несколько порядков больше, а точность несоизмеримо ниже.
Чтобы проверить работу новых весов, сначала с помощью просвечивающего электронного микроскопа определили точные размеры нанотрубки и вычислили ее массу. Затем систему стали обстреливать потоком атомов золота, часть которых случайным образом присоединялась к нанотрубке. Проанализировав изменения частоты колебаний трубки и вычислив параметры этого случайного процесса, который очень похож на дробовый шум в электронных приборах, ученым удалось определить массу атомов золота. Результаты измерений прекрасно совпали с известным значением — погрешность не превысила 20%.
Разумеется, новым механическим нановесам еще далеко до обычных масс-спектрометров, в которых атомы ионизируются, разгоняются электрическим полем, а затем отклоняются полем магнитным. По величине этого отклонения можно очень точно судить о массах различных ионов. Однако для нового наномеханического масс-спектрометра уже не нужна ионизация, которая легко разрушает многие молекулы. Именно для определения масс таких соединений его и планируют использовать. ГА
Контакт? Есть контакт!
Физикам из знаменитого Лейденского университета в Нидерландах при поддержке коллег из Германии впервые удалось реализовать надежный, хорошо проводящий контакт между органической молекулой и металлическим электродом. В этой работе ученым удалось найти решение одной из ключевых проблем на тернистом пути к молекулярной электронике.
В последние годы "КТ" не раз писала об успехах молекулярной электроники, в которой пусть очень сложная, но зато одна-единственная органическая молекула реализует транзистор, логический вентиль или ячейку памяти. Собранные из таких молекул компьютеры обещают достичь миниатюризации, немыслимой для полупроводниковых устройств.
В сложных молекулах для соединения с электродами из благородных металлов обычно предусматривают специальные "анкерные концы", зачастую на основе тиолов с сульфгидрильной группой SH. К сожалению, на подобных контактах с металлом всегда возникает потенциальный барьер. И чтобы электроны могли его преодолеть, приходится прикладывать дополнительное напряжение. Барьер неизбежно ведет к плохой проводимости контакта и скверной работе устройства в целом. И все попытки обойти эту трудность, изменяя способ крепления сложных молекул к электродам, до сих пор не приводили к успеху.
В Лейдене решили пойти другим путем. Там взяли сравнительно простую органическую молекулу бензола C6H6 и постарались присоединить ее круглый углеродный "скелет" непосредственно к электродам из платины. Простота бензола позволила просчитать параметры контактов в зависимости от расстояния между электродами и возможной ориентации молекулы. Кроме того, в эксперименте легче было применить целый набор современных методов, от простого измерения проводимости до контроля дробового шума и подмены изотопов. Экспериментаторам удалось показать, что проводимость контакта платиновых электродов с углеродным скелетом бензола по крайней мере на порядок выше, чем до сих пор удавалось получать в соединениях с органическими молекулами. Она сопоставима с проводимостью металлических контактов. Более того, при правильном выборе ориентации молекулы и расстояния между электродами проводимость контактов может достигать своего предельного значения. В этом случае электроны движутся по так называемой баллистической траектории, не рассеиваясь.
Теперь в планах ученых — добиться хорошего контакта бензола с другими металлами, не столь дорогими, как платина.
Кроме того, будут исследованы контакты и с более сложными, нежели бензол, органическими молекулами. ГА
Новости подготовили
Галактион Андреев
Александр Бумагин
Егор Васильев
Владимир Головинов
Евгений Золотов
Денис Коновальчик
Игорь Куксов
Павел Протасов
Дмитрий Шабанов
Константин Шиян
Google открыла свободный доступ к своему энциклопедическому сервису Knol. Проект официально не вышел из состояния беты (что в эпоху Web 2.0 нормальное явление), тем не менее делиться своими познаниями теперь сможет любой обладатель гугл-аккаунта. У компании есть шкурный интерес в развитии проекта, поскольку с разрешения автора на страницах статей будет размещаться контекстная реклама, часть прибыли от которой будет перечисляться пользователю. Желающие заработать на своих знаниях должны учитывать, что в базе Knol может быть несколько материалов на одну тему, которые будут предлагаться в порядке, напрямую зависящем от рейтинга автора. По мнению организаторов сервиса, это благоприятно скажется на качестве текстов. Интерфейс ресурса пока представлен лишь на английском, что, впрочем, не мешает писать материалы на самых разных языках. АБ
