Ученые Томского политехнического университета совместно с исследователями из Национального университета Ян-Мин и Университета Бен-Гуриона в Негеве, при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, представили новейший способ динамического искривления фотонных струй, открывающий уникальные перспективы для развития современной нанотехнологии, медицины и микроэлектроники. Эта разработка знаменует собой новый этап в управлении световыми потоками на микроуровне и в ближайшем будущем может внести значительный вклад в широкий спектр научных и технологических направлений.
Преобразование фотонных струй: новый взгляд на манипуляции светом
Фотонная струя — это сфокусированная электромагнитная волна, создающая ультраузкий световой поток у поверхности микроскопической сферы. Такой луч отличается уникально малым диаметром, меньшим, чем традиционный дифракционный предел, благодаря чему он обладает значительными преимуществами для изучения и манипулирования наноструктурами. Благодаря этим особенностям ученым удалось создать инновационный оптический наноскоп, способный разрешать объекты размером до 50 нанометров, что существенно расширяет границы классической оптики.
Революция в генерации фотонных крючков
В последние годы исследовательская группа под руководством профессора Игоря Минина совершила заметный рывок в области создания искривленных световых потоков — фотонных крючков. В отличие от традиционных методов, новая технология существенно упрощает процесс формирования таких лучей, ведь для этого достаточно использовать микрочастицу определенной формы. При прохождении света через неё луч приобретает криволинейную траекторию, что делает возможным перемещение наночастиц, огибание препятствий и управление их движением с высокой точностью. Это открывает перспективы как для разработки новых материалов и технологий в микробиологии и медицине, так и для усовершенствования методов контролируемой доставки и позиционирования отдельных клеток и молекул.
Принцип работы: гармония симметрии и инноваций
Научное открытие заключается в том, что для формирования прямых и искривленных фотонных струй не требуется менять геометрию используемых микрочастиц. Ранее считалось, будто для фотонной струи необходимы симметричные микрочастицы, а для крючков — асимметричные. Проведенные вычисления и лабораторные эксперименты показали, что достаточно использовать симметричную частицу, частично перекрытую металлическим экраном. Такая простая конструкция легко реализуема и позволяет гибко изменять свойства получаемого светового луча. Такими экранами могут служить тонкие пластины из различных металлов; в эксперименте ученых был использован алюминий, но по утверждению исследователей, подойдут и другие материалы.
Гибкое управление фотонными потоками для передовых задач
Ключ к динамическому преобразованию фотонной струи в фотонный крючок — способ частичного экранирования микрочастицы. Когда частица освещается полностью, формируется классическая фотонная струя. Если же часть её поверхности перекрыта металлическим экраном, симметричный волновой фронт нарушается, и возникает искривленный фотонный крючок. Это изобретение делает возможным интеграцию обеих функций в одном устройстве. К примеру, одну и ту же систему можно применять для захвата и перетаскивания наночастиц или локального воздействия на биологические объекты, меняя лишь положение экрана, без замены самой микрочастицы.
Перспективы использования: от литографии до биомедицины
Полученные результаты находят практическое воплощение в передовых технологиях. В частности, фотонные крючки и струи открывают новые возможности в оптической литографии для изготовления сложнейших микросхем. Литография — ключевая технология лазерного нанесения узоров при производстве интегральных схем и других микроскопических структур. Возможность динамически изменять форму светового луча без физической замены микрочастиц делает процесс производительнее и экономичнее, позволяя адаптироваться к различным технологическим задачам в реальном времени.
В биологических и медицинских исследованиях устройство даст толчок к новым типам манипуляций с клетками и др. биоструктурами, повысит точность, эффективность и масштабируемость экспериментов. Усовершенствованные методы контроля над микро- и наносистемами откроют путь к созданию новых материалов с уникальными свойствами, более точным и щадящим способам диагностики и терапии.
Международное сотрудничество и поддержка научных инициатив
Проект реализован благодаря усилиям ученых из разных стран и поддержке научных фондов, в том числе грантам Российского фонда фундаментальных исследований. Активное взаимодействие между Томским политехническим университетом, Национальным университетом Ян-Мин на Тайване и Университетом Бен-Гуриона в Негеве (Израиль) позволяет объединить передовые знания и ресурсы, ускоряя путь от фундаментальных идей к их внедрению в передовые технологические решения.
Эта работа не только способствует продвижению отечественной науки на мировой арене, но и открывает широкие горизонты для международных исследовательских коллективов, совместно работающих над решениями для промышленности, медицины и нанотехнологий. Оптимизм исследователей подкрепляется тем, что предложенные ими простые и доступные методы могут быть адаптированы для использования в самых разнообразных приложениях уже в ближайшие годы.
Источник: scientificrussia.ru
