"Луч-бублик" помог физикам из России создать идеальные наноиглы
Физики из России и Японии случайно научились изготовлять сверхтонкие иглы толщиной в несколько десятков атомов, экспериментируя с лазерными лучами, закрученными в бублик. "Инструкции" по их сборке были представлены в журнале Applied Physics Letters.
"Свойства этих игл - коэффициент отражения, трение, прочность каталитические характеристики - кардинально отличаются от гладкой поверхности. Это позволяет создавать уникальные приборы. Например, метаповерхности с "неправильным" коэффициентом отражения могут служить основой наносенсоров, светящихся в присутствии определенных молекул", - рассказывает Наиль Иногамов из Института теоретической физики РАН в Москве.
Луч света, как выяснили физики примерно два десятка лет назад, может представлять собой не только структуру, похожую по форме на прямую линию, но и на спираль и даже ленту Мебиуса. Если подсветить такими лучами любую произвольную поверхность, то они будут оставлять не круглые пятна света, а своеобразные "бублики" и другие геометрические фигуры, в центре которых царит темнота.
Подобные необычные формы света сегодня интересуют ученых по той причине, что они позволяют передавать информацию в несколько раз быстрее, чем обычные "прямые" пучки фотонов, и создавать различные "притягивающие лучи" и прочие экзотические конструкции.
Российские и японские ученые нашли новое неожиданное применение подобным лучам-"бубликам", пытаясь понять, почему пучки рентгена постепенно разрушают многослойные зеркала, применяемые для их фокусировки в телескопах и приборах, позволяющих получать фотографии молекул с атомным разрешением.
Изначально Иногамов и его коллеги использовали источники "обычного" рентгена, обстреливая ими образцы зеркал, однако через некоторое время они перешли на "закрученные" пучки излучения, надеясь избежать появления своеобразных "кратеров" на отражающей поверхности.
К большому удивлению физиков, этого не произошло. На месте кратера появилась выемка в форме кольца, в центре которой возникла сверхтонкая игла из того материала, из которого было изготовлено зеркало. Ее появление озадачило ученых, и им пришлось создать компьютерную модель этого процесса для раскрытия механизма ее рождения.
Как показали эти расчеты, "закрученный" лазерный импульс длиной в триллионные доли секунды создавал область гигантского давления в той зоне, где его "бублик" касался поверхности зеркала, что особым образом влияло на поведение двух основных его компонентов - золота и хрома.
Огромные давления и температуры заставляли и тот, и другой металл расплавиться, но при этом золото нагревалось в четыре раза быстрее. По этой причине большая часть его превращалась в пар, тогда как хром оставался жидким.
"Получается что-то похожее на сильно накачанное колесо, внутри которого под эластичной покрышкой из расплава хрома находится золотой пар под огромным давлением", - добавляет Василий Жаховский, коллега Иногамова.
Этот пар, в свою очередь, толкал хромовую "покрышку" в сторону центра "бублика", где температуры оставались низкими из-за того, что энергия луча туда не попадала, и затем растягивал ее. Постепенно там возникала своеобразная игла из хрома, имевшая идеальную форму и толщину в несколько десятков атомов.
Подобный прием, как объясняет Жаховский, позволяет производить компоненты микросхем с рекордно малой толщиной - 2-4 нанометра, что пока недоступно даже для самых передовых систем изготовления микроэлектроники. Помимо этого, эти иглы уже сейчас можно использовать в качестве наноантенн и сверхчувствительных датчиков света и электрических полей, а излучатели "закрученного рентгена - для прямой "печати" микросхем.
