Оптические микрорезонаторы — это миниатюрные устройства, которые можно сравнить с круглой зеркальной комнатой, в которой луч света снова и снова отражается от стен, из-за чего становится гораздо интенсивнее. Благодаря этому свойству такие «усилители» можно использовать при создании миниатюрных лазеров, биомедицинских датчиков и оптических меток для защиты драгоценностей от подделки.

Однако широко микрорезонаторы пока не используются, так как большинство существующих образцов имеют серьезные недостатки: их приходится «активировать» мощным лазером, иначе они попросту не будут удерживать и усиливать свет. Кроме того, часто материалы, из которых сделаны такие устройства, несовместимы с биологическими объектами, что не позволяет применять их в медицинской диагностике.

Исследователи из Университета ИТМО (Санкт-Петербург) создали микрорезонатор, который не просто удерживает и усиливает свет, но и сам его генерирует.

За основу авторы взяли стандартные микрорезонаторы — сферы из полистирола диаметром около пяти микрометров (в десять раз тоньше человеческого волоса). На их поверхность авторы поместили светящиеся люминофоры (светящиеся частицы) двух типов: нанокристаллы, состоящие из серебра, индия и серы, а также углеродные точки.

Затем исследователи нанесли еще два дополнительных слоя — полимер и золотые наночастицы. Первый выполнял роль изолятора — он не давал золоту взаимодействовать с нижележащими нанокристаллами и тушить их свечение. Золото служило «антенной», которая усиливает свет, испускаемый микрорезонатором.

Когда на полученный микрорезонатор действуют даже относительно слабым лазером, нанокристаллы из серебра, индия и серы или углеродные точки на его поверхности испускают свет сразу во все стороны. Большая часть этого излучения «вылетает» из микрорезонатора хаотично, превращаясь в бесполезный фоновый сигнал. Но другая, меньшая часть излучения попадает в «ловушку» внутри полистирольной микросферы: из-за многократных отражений от ее стенок она остается внутри, при этом «подхватывает» свечение от других нанокристаллов и благодаря этому становится в сотни раз ярче.

«Отличить ненужный фоновый сигнал от света, попавшего в "ловушку", очень просто: у хаотичного фона спектр широкий и размытый, а у запертого в резонаторе света есть острые, узкие пики на определенных длинах волн. Золотые наночастицы в полученных нами микрорезонаторах выборочно гасят хаотичный фон и делают ту часть излучения, которая попадает в полость сферы и усиливается благодаря отражениям, еще ярче и четче», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Антон Ткач, инженер-исследователь международного научно-образовательного центра физики наноструктур Университета ИТМО.

Авторы экспериментально подтвердили «тушение» побочных сигналов и многократное увеличение яркости свечения, прошедшего через полость микросферы. Более того, исследование показало, что, меняя архитектуру нанесения слоев, можно «настраивать» излучение люминофоров, что позволит создавать микрорезонаторы с оптимальными свойствами под разные задачи. При этом важно отметить, что все компоненты микросфер нетоксичны, а потому разработку можно будет использовать для анализа биологических образцов, например клеток и тканей.

Ранее ученые создали материал, который более чем в 10 тысяч раз повышает чувствительность рамановской спектроскопии — метода для анализа состава самых разных смесей. Благодаря разработке этот подход удастся применять для выявления даже минимальных концентраций интересующих молекул в сложных средах — крови, водоемах, продуктах нефтепереработки и других.

«В будущем мы планируем совместить проведенные ранее исследования и на основе этих результатов создать структуру типа «лаборатория на чипе» с возможностью параллельного детектирования аналита на детекторном и аналитическом каналах. Также мы проанализируем устойчивость гибридных структур в жидких средах, их отклик на сложные мультикомпонентные пробы, определим пределы обнаружения и избирательность на модельных соединениях для различных архитектур микросфер», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Кирилл Богданов, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией рамановской спектроскопии полупроводниковых и диэлектрических наноструктур международного научно-образовательного центра физики наноструктур Университета ИТМО.

Если вы хотите стать героем публикации и рассказать о своем исследовании, заполните форму на сайте РНФ