Интенсивность комбинационного рассеяния света — это когда свет рассеивается на молекулах вещества и появляются спектральные линии, которых изначально не было — можно значительно увеличить с помощью наночастиц из кремния, показали ученые из МФТИ, Университета ИТМО и Австралийского национального университета. Это дает возможность создать наноразмерные лазеры и наноразмерные усилители для оптоволоконных линий связи. Статья об исследовании опубликована в журнале Nanoscale, о нем также рассказывает сайт МФТИ.

До сих пор для усиления комбинационного рассеяния использовались устройства по размерам большие, чем длина волны излучения: волноводы или сферические микрорезонаторы. Новое исследование показало возможности миниатюризации этой технологии. Ученые использовали кремниевые наносферы, где возникает оптический резонанс, так называемый резонанс Ми. Такие резонансы возникают в любых сферических частицах, при этом резонансные длины волн зависят именно от размера частицы.

Один из резонансов, наблюдающийся для самой большой длины волны — магнито-дипольный резонанс: его длина волны обычно сопоставима с диаметром частицы. Но в кремнии из-за высокого значения коэффициента преломления магнито-дипольный резонанс наблюдается в оптическом диапазоне уже для наночастиц диаметром около 100 нанометров.

Ученые показали, что значительно увеличить интенсивность комбинационного рассеяния света можно за счет использования наночастиц из кремния.

В эксперименте ученые исследовали поведение кремниевых наночастиц разного размера, проверяя, как интенсивность комбинационного рассеяния зависит от диаметра частицы. Она оказалась максимальной при резонансном диаметре частицы. Интенсивность рассеяния такой частицей более чем в 100 раз превосходит величину комбинационного рассеяния в нерезонансных частицах других диаметров.

Кремниевые наночастицы могут стать основой для создания миниатюрных оптических усилителей для оптоволоконных сетей. В перспективе они могут стать платформой для создания компактного нанолазера, использующего эффект вынужденного комбинационного рассеяния, что обещает очень интересные приложения в области медицины и биомикроскопии. В частности, детектирование сигнала комбинационного рассеяния от частиц, находящихся в организме, позволит отследить перемещение молекул лекарственных препаратов.

Кстати, комбиционное рассеяние, известное еще как эффект Рамана лежит в основе рамановской спектроскопии, метода исследования электронной структуры молекул. Для интересующихся пара слов о Рамане: Чандрасекхара Венката Раман, известный индийский физик, открыл комбинационное рассеяние в 1928 году. В 1930-м он получил Нобелевскую премию «за работы по рассеянию света и за открытие эффекта, названного в его честь» и стал первым не белым, получившим эту премию в области науки. Более того, Национальный день науки отмечается в Индии 28 февраля именно в честь этого открытия.