Сотрудники научно-исследовательской лаборатории «Квантовая фотоника и метаматериалы» Казанского федерального университета под руководством заведующего кафедрой оптики и нанофотоники Института физики Сергея Харинцева установили, что пространственное ограничение (квантовый конфайнмент) вызывает генерацию оптически-индуцированной электронной поляризации в областях с нарушенной симметрией: на точечных дефектах, межфазных границах и структурах двойникования, которая приводит к непрямым оптическим переходам.

Им впервые удалось ответить на вопрос, почему показатель преломления таких сред, как квантовые точки, нанокристаллы, тонкие пленки, может сильно отличаться от их объемных аналогов. Этот экспериментальный результат имеет ключевое значение для развития квантовой фотоники – современного направления оптики, изучающего взаимодействие света с пространственно-ограниченными средами. Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом журнале Nano Letters, а главный вывод работы вынесен на обложку издания.

Традиционно дефекты в материалах рассматривались как нечто нежелательное, ухудшающее свойства материалов. Однако в последние годы появляется все больше исследований, показывающих, что дефекты могут стать основой для технологий нового поколения, если научиться ими целенаправленно управлять.

«Совершенство – в несовершенстве, – так прокомментировал работу Сергей Харинцев. – Квантовый конфайнмент изменяет механизм взаимодействия света с веществом благодаря непрямым оптическим переходам. В обычных объемных материалах такие переходы запрещены из-за большой разницы в импульсах электрона и фотона. Они отличаются на два–три порядка. Это означает, что в таких средах возможны только прямые оптические переходы между электронными состояниями. При этом поглощение является доминирующим над рассеянием света физическим процессом, поскольку они описываются первым и вторым порядком квантово-механической теории возмущения».

Пространственное ограничение материала приводит к изменению механизмов поглощения и рассеяния света благодаря передаче дополнительного импульса электронной системе от пространственно-ограниченной среды. Именно этот импульс обеспечивает непрямые оптические переходы, которые увеличивают силу осциллятора. Поскольку электронная плотность состояний максимальна вблизи края зоны проводимости, непрямое рассеяние света становится доминирующим физическим процессом в пространственно-ограниченных средах. Этот вывод следует из экспериментального наблюдения широкополосного фонового излучения в рамановских спектрах, известного как электронное рассеяние света. Данный вид излучения отличается от колебательного/электронного рамановского рассеяния света и флуоресценции, поскольку его спектральный профиль определяется зонной структурой материала, а ширина варьируется в диапазоне 0.1-1 эВ.         

Электронное рассеяние света несет в себе важную информацию о пространственной структуре неоднородных сред и не зависит от их химического состава. Оно приводит к увеличению концентрации свободных зарядов в зоне проводимости и, следовательно, обеспечивает аномальное увеличение показателя преломления.

«Этот эффект мы исследовали в работе с помощью изолированных и кластерных золотых наночастиц размером меньше пяти нанометров. Показатель преломления таких наночастиц увеличился более чем в 10 раз в условиях резонанса. Однако такое усиление наблюдается также в широком спектральном диапазоне вне резонанса. Кроме того, агрегация золотых наночастиц приводит к красному смещению и усилению интенсивности электронного рассеяния света. Эти эффекты приводят к дополнительному увеличению показателя преломления в широком спектральном диапазоне», – продолжила инженер кафедры оптики и нанофотоники Элина Батталова.

Полученные результаты будут играть важную роль в фотоэлектрических и термооптических технологиях. В частности, они будут использованы для создания однопроходных солнечных батарей без разделения спектра (4 поколение) с эффективностью, превышающей теоретический предел Шокли-Квиссера (для кремния – 32 процента). Высокий показатель преломления пространственно-ограниченных сред открывает путь к созданию оптически прозрачных электропроводящих материалов, используемых в качестве электродов в солнечных элементах. Кроме того, высокие значения показателя преломления открывают уникальную возможность для оптического управления электронами в кремниевых транзисторах на суб-нанометровом масштабе.

Электронное рассеяние света лежит в основе оптической дефектоскопии твердых материалов, которая найдет применение для экспресс-характеризации кремниевых пластин для микро- и наноэлектроники. В сенсорных технологиях электронное рассеяние света может быть использовано для определения температуры и электронной зонной структуры пространственно-ограниченных сред. 

Работа выполнена за счет средств субсидии, выделенной Казанскому федеральному университету на выполнение государственного задания в сфере научной деятельности (FZSM 2025–0004), и поддержана индустриальными партнерами «Остек-АртТул» и NT-MDT BV.