На Физтехе приступила к работе входящая в состав междисциплинарного центра фундаментальных исследований (МЦФИ) Лаборатория терагерцовой спектроскопии под руководством доктора физико-математических наук Бориса Горшунова. В лаборатории уже смонтированы и активно используются три спектрометра, при помощи которых можно исследовать самые разные объекты, от сверхпроводниковых до биологических. Лаборатория уникальна по широте охватываемого спектрального диапазона — от терагерцового до оптического.
Терагерцовые частоты простираются от 30 ТГц (или от 10 микрометров, если измерять длину волны, а не частоту) до 100 ГГц (длина волны 3 миллиметра), занимая промежуточное положение между инфракрасным и сверхвысокочастотным (СВЧ) диапазонами. Этот участок электромагнитного спектра долгое время оставался практически неосвоенным — в смысле проведения спектроскопических исследований и эффективного практического использования. Причин появления такого «терагерцового провала» было достаточно много.
Важнейшая из них заключается в том, что терагерцовое излучение имеет очень «неудобную» длину волны. Сопоставимая с размерами деталей спектрометра или иного прибора длина волны не позволяет применять ни обычные элементы оптических схем, ни привычные радиофизикам антенны или волноводы. Лишь за последние десятилетия удалось разработать достаточно эффективные методы терагерцовой спектроскопии — методы, к которым часто применяют приложение «квазиоптические». Именно «квазиоптическая» установка смонтирована в новой лаборатории, и пресс-службе МФТИ удалось выяснить, чем «квазиоптика» отличается от «просто оптики».
Для работы с радио- и СВЧ излучением обычно используются элементы, которые соединены проводами или волноводами. С другой стороны, для экспериментов с инфракрасным (ИК) и более высокочастотным излучением (проще говоря — видимым светом или ультрафиолетом) применяются привычные всем зеркала и линзы. В терагерцовой лаборатории на оптическом столе* смонтированы элементы, которые на первый взгляд кажутся обычными оптическими деталями:
Однако при внимательном рассмотрении можно заметить ряд особенностей.
* Столы для оптических экспериментов устанавливают на амортизационных опорах и делают из стальной плиты, в которой просверливают множество отверстий для крепления отдельных элементов терагерцовых измерительных схем. Все оптические детали фиксируются на подставках, которые крепятся к этим отверстиям, так что при необходимости их расположение легко поменять.
Например, линзы сделаны не из стекла (как в оптике), а из непрозрачного в видимом свете, но прозрачного для терагерцового излучения пластика — полиэтилена или тефлона (фторопласта). Терагерцовые поляризаторы представляют собой тончайшие сетки из вольфрамовых проволочек диаметром 10 мкм, натянутых с периодом 30 мкм (много меньше типичной длины волны терагерцового излучения) на стальное кольцо:
(терагерцевый поляризатор крупным планом)
Такие сетки пропускают только электромагнитное излучение, электрический вектор которого колеблется перпендикулярно проволокам; для излучения, электрический вектор которого параллелен проволокам, сетка практически непрозрачна и ведёт себя как металлическое зеркало.
Создание источников терагерцового излучения тоже представляло собой отдельную задачу, решить которую конструкторам удалось далеко не сразу. Терагерцовый спектрометр, установленный в лаборатории и сконструированный в Институте общей физики РАН, использует в качестве источников терагерцового излучения специальные генераторы — лампы обратной волны, ЛОВы. По сути их конструкция сходна с радиолампой — диодом или триодом.
Несмотря на внешнее сходство с давно известной радиолампой генератор терагерцового излучения является совершенно уникальным — и потому весьма дорогим прибором. Он позволяет получать монохроматическое и поляризованное излучение, частоту которого можно плавно и непрерывно перестраивать, просто изменяя питающее напряжение.
(при работе лампа устанавливается внутрь корпуса. Обратите внимание на трубки охлаждения — без подачи воды устройство сгорает)
При работе терагерцового спектрометра выходящий из генератора расходящийся пучок излучения с помощью собирающей линзы превращается в плоско-параллельный. Дальше он делится на две части полупрозрачным зеркалом — в роли которого выступает всё та же проволочная сетка. В рабочую часть установки, куда направляется первый пучок, помещается исследуемый объект, а второй пучок используется в качестве «репера» для измерения фазовой характеристики излучения, прошедшего через объект. Для фазовых измерений, то есть для определения того, насколько смещается фаза волны, используется «квазиоптический» аналог известного специалистам по оптике интерферометра Рождественского (в англоязычной литературе — интерферометр Маха-Цандера). Для измерения коэффициента отражения используются специальные фокусаторы — металлические параболические зеркала:
(на снимке можно увидеть зеркало, несколько источников излучения в черных ребристых корпусах и поляризатор)
Для анализа в спектрометр можно поместить любой объект (образец), представляющий интерес с точки зрения его свойств – физических, химических или биологических. Новая установка позволяет решить и задачу, которая регулярно возникает перед исследователями — изучить свойства образца при разных температурах, которые могут быть как выше, так и ниже комнатной температуры (она, как известно, составляет 295 градусов*). С этой целью используются, соответственно, «печки» или криостаты. Причём интервал доступных температур может быть очень широким, от примерно 1000 кельвинов до температуры жидкого гелия (4,2 кельвина) и даже ниже.
* Разумеется, речь о шкале Кельвина. До 1968 года было принято писать «градусы Кельвина», а далее в системе СИ единицей температуры стал просто кельвин. Согласно ГОСТ 8.417-2002, эта единица пишется с маленькой буквы: подобно амперам, беккерелям, герцам, кулонам, фарадам и прочим единицам, названным в честь ученых.
(Общий вид лаборатории. На переднем плане слева Борис Горшунов стоит рядом с криостатом для терагерцевой спектроскопии, на заднем плане справа Елена Жукова, кандидат физико-математических наук и заместитель заведующего лаборатории, рассказывает студентке Зарине Гагкаевой про устройство Фурье-спектрометра. Рядом с ней сотрудник лаборатории и выпускник Физтеха, кандидат физико-математических наук Анзин Владимир Борисович — конструктор уникальных терагерцовых криостатов)
Изготовление «печек» и криостатов для терагерцовых измерений — особая задача. Здесь опять возникают сложности, обусловленные соизмеримостью длины волны терагерцового излучения с расстояниями между окошками «печки» или криостата, а также между окошками и изучаемым образцом. При прохождении излучения через прибор многочисленные отражения электромагнитных волн от всех встреченных на пути препятствий (окошек, граней образца, и так далее) приводят к интерференционным эффектам, накладываются друг на друга и портят картину спектра до неузнаваемости вследствие появления стоячих резонансов (как говорят физики, «стояков», «стоячек»).
(Борис Горшунов объясняет устройство терагерцевого спектрометра. Рядом с его рукой виден источник излучения с выходным отверстием. Развернутый под углом 45 градусов элемент несколько левее — полупрозрачное зеркало)
График спектра со «стояками» напоминает сильно испорченный синус. Для решения проблемы «стояков» были разработаны простые, но эффективные средства*: изготовление окошек из тонких плёночных материалов, ориентация окошек под разными углами к направлению распространения излучения и друг к другу.
* По словам сотрудников лаборатории, для того, чтобы дойти до такой «простоты» потребовались многие годы накопления опыта работы с терагерцовым излучением. Причем речь идет не о конкретной исследовательской группе, а о мировом сообществе.
Дополнительные «know-how» лаборатории связаны с методикой изучения жидких образцов. Дело в том, что наиболее эффективно терагерцовые измерения проводятся с образцами, представляющими собой плоско-параллельные слои различной толщины (от нескольких миллиметров до десятков микрометров или сотен ангстрем, например, в случае сверхпроводящих плёнок). Получить такой слой удалось с помощью известного «оборудования» для вышивания — пялец, т.е. двух колец, туго вставляющихся одно в другое.
Для терагерцовых измерений были придуманы двойные пяльцы. На такие пяльцы натягиваются две тончайшие (около 10 мкм) плёнки из майлара (лавсана), между которыми располагается кольцо-спейсер. Лавсан (майлар), в отличие от полиэтилена, очень удобен: прочен, не растягивается и прозрачен для терагерцового излучения. Собрав такую «ячейку», остаётся лишь заполнить исследуемой жидкостью пространство, ограниченное плёнками и спейсером. Это делается с помощью обыкновенного медицинского шприца через отверстие в спейсере или в процессе сборки ячейки — в зависимости от свойств жидкости. С использованием таких ячеек были изучены терагерцовые спектры множества жидких веществ вплоть до сметаны из буфета. Не был пропущен и всем известный напиток — водка: её спектр оказался предсказуемым образом чем-то средним между спектрами воды и спирта.
С точки зрения фундаментальных исследований интерес к терагерцовому излучению заключается в том, что энергия его квантов hω (по порядку величины это миллиэлектронвольты) соответствует характерным энергиям самых разных интереснейших процессов (h — постоянная Планка, ω — частота). Так, переход материалов в сверхпроводящее состояние, например, связан именно с характерной энергией в несколько миллиэлектронвольт (таков типичный размер сверхпроводящей щели или величина энергии связи куперовской пары). Изменение ориентации спинов электронов тоже может происходить под действием терагерцового излучения — а это тот процесс, который предлагается использовать в электронных устройствах нового поколения*.
Терагерцовая спектроскопия позволяет исследовать квантовые процессы в наноструктурах. Очень интересны исследования так называемых тяжелых фермионов — квазичастиц**, эффективная масса которых может быть огромной и достигать несколько тысяч масс электронов. И природа возникновения таких квазичастиц, и явление тяжёлофермионной сверхпроводимости остаются пока непонятыми.
* Сейчас микроэлектроника использует только зарядовые токи, перемещение электрических зарядов, а перспективные устройства будут вдобавок различать электроны с разной ориентацией спина. Спинтроника, электроника с учетом спина, перспективна потому, что тот же поток частиц сможет передать больше информации, а управление спином электронов требует меньшей энергии, чем управление зарядовым током. На практике это означает большее быстродействие при меньшем энергопотреблении — устройства меньше греются и дольше работают при питании от аккумуляторов.
** Фермионами называют частицы с полуцелым спином (типичный пример — электрон). А квазичастицами — объекты, которые ведут себя подобно отдельным частицам, но при этом ими не являются. Квант колебаний кристаллической решетки, фонон, квант колебаний электронного газа, плазмон — примеры квазичастиц.
(Многие интересующие исследователей процессы можно изучать только при низких температурах. Этот криостат (болометр, детектор излучения) в момент снимка заполнялся жидким азотом, но его конструкция предусматривает и работу с жидким гелием)
В отношении биологических систем терагерцовое излучение дает возможность изучать роль воды в био-процессах, перенос зарядов в биологических структурах, а также характерные колебательные процессы, которые могут дать характеристику состояния биосистемы. Важным преимуществом терагерцовой спектроскопии с точки зрения медицины является то, что этот метод является бесконтактным и неинвазивным — излучение этого спектрального диапазона не вызывает ионизации (как ультрафиолет) и значительного нагрева объекта (как СВЧ). Обладая высочайшей чувствительностью к фазовому состоянию воды, терагерцовый диапазон позволяет выяснить уровень связанности молекул воды в биологических системах, уровень сольватации ионов в растворе и уровень гидратации поверхностей на фазовой границе. В космической области терагерцовое излучение даёт возможность выполнять дистанционное зондирование атмосферы (причем не обязательно земной).
Терагерцовый диапазон представляет интерес и для прикладных целей. Современная техника уже позволяет не просто регистрировать такое излучение, но и «видеть» в терагерцовом «свете». Терагерцовое излучение свободно проходит (не поглощается) через ткань (сухую), многие пластики, бумагу, дерево (сухое) и многие другие материалы. Это свойство является основой для изготовления так называемых сканеров, позволяющих буквально видеть сквозь одежду. Картинка получается вполне достаточная для, например, обнаружения спрятанного оружия или взрывчатки. Сканеры можно использовать также для медицинских целей: поиска опухолей и следов других патологических процессов в коже человека.
(Пример терагерцевого изображения с сайта Национального института технологических стандартов США. Виден спрятанный пистолет)
Относительно малая длина волны терагерцового излучения позволяет получать более четкое изображение в системах радиовидения — такие системы нужны везде, где требуется наблюдать за чем-либо в тумане, во время пылевой бури или при иных неблагоприятных условиях. Терагерцовое излучение может пригодиться даже в сельском хозяйстве: оно хорошо поглощается водой, поэтому его можно использовать для точного определения влажности растений и продуктов. По терагерцовому снимку поля можно будет сразу понять, где именно нужен дополнительный полив, а где тратить воду уже не надо. А еще все предметы сами немного излучают в терагерцовом диапазоне, потому достаточно чувствительный детектор сможет дать картинку даже в полной темноте и без использования дополнительной «подсветки».
(Это изображение — вид всего неба в диапазоне от 30 до 857 ГГц. Его получили специалисты Европейского космического агентства при помощи космической обсерватории Planck)
Такие приборы, которые сами не излучают, а только принимают излучение, принято называть пассивными. Они нужны, например, военным для скрытого наблюдения за противником и ученым, получить снимок со спутника.
В настоящее время лаборатория терагерцовой спектроскопии имеет в своем распоряжении терагерцовый спектрометр непрерывного действия на лампах обратной волны (разработка ИОФ РАН [1-3]), импульсный спектрометр, называемый time-domain spectrometer — терагерцовый спектрометр с временны́м (ударение на последний слог) разрешением, в котором на исследуемый образец направляются короткие импульсы излучения.
(Стол с терагерцевым спектрометром с временны́м разрешением. Рядом сотрудник лаборатории к.ф.-м.н. Юрий Германович Гончаров (справа) и представитель фирмы-изготовителя спектрометра Rafal Wilk)
Лаборатория располагает также инфракрасным Фурье-спектрометром Vertex, работающим до частот видимой области спектра:
(Владимир Борисович Анзин и эксперт по Фурье-спектроскопии Николай Юрьевич Болдырев (перед монитором))
Этот прибор пресс-служба посмотрела в том числе изнутри:
Оптическая схема:
По словам Бориса Горшунова, такое сочетание спектрометров является чрезвычайно эффективным для изучения самых разных материалов и явлений. А используя налаженные связи с другими научными центрами (российскими и зарубежными) исследователи могут получить непрерывный спектр от нескольких герц до рентгеновского излучения, что может быть необходимым в ряде случаев.
(Молекула воды в нанополости берилла. Зеленым показан потенциальный рельеф, который «чувствует» молекула воды. Иллюстрация из Gorshunov et al. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 2015−2020.)
Сейчас лаборатория занимается изучением как биологических объектов, так и неорганических материалов. Среди последних можно выделить берилл, минерал, наиболее «привычные» разновидности которого известны как изумруд (зеленая окраска за счет примеси ванадия, железа или хрома) и аквамарин (голубоватый цвет обусловлен примесью железа). Ученые показали, что внутри кристаллической решетки берилла существуют наноразмерные полости с заключенными внутри молекулами воды.
(Терагерцовый спектр молекул воды в наноразмерной полости берилла. Иллюстрация из: Gorshunov et al. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 2015−2020)
Терагерцовая спектроскопия впервые позволила наблюдать [4, 5] необычные колебания молекулы воды внутри таких полостей (фильм). Важно подчеркнуть, что поведение воды в нанополостях берилла интересно не столько в контексте исследования конкретного полудрагоценного камня, но и как модельный пример поведения воды внутри наноструктуры — схожие эффекты может демонстрировать вода в составе других минералов, внутри углеродных нанотрубок и сложнейших биологических систем.
(Столь эффектные кристаллы на плоско-параллельные пластинки обычно не режут, но у ученых было несколько образцов поменьше)
Другой пример неорганической системы, которую исследовали методами терагерцовой спектроскопии — манганиты. Это соединения оксида марганца, щелочных и редкоземельных металлов. Некоторые манганиты примечательны тем, что демонстрируют эффект гигантского магнитосопротивления (возрастание электрического сопротивления при воздействии на материал магнитного поля). Именно этот эффект используется в современных жестких дисках, он позволил достичь современной плотности записи и создать носители с объемом в несколько терабайт. Свойства многих манганитов до сих пор как следует не изучены, например, тех, в которых концентрация кальция достаточно велика. В таких веществах сотрудниками лаборатории впервые наблюдался [6] так называемый Бозонный пик [7] — акустические колебания кристаллической решётки, которые при определённых условиях «зацепляются» за оптическое (терагерцовое) излучение:
(Бозонный пик выделен красной рамкой. Иллюстрация из B.Gorshunov et al., Physical Review B 87, 245124 (2013))
Лаборатория активно сотрудничает с рядом российских и зарубежных центров: совместная работа с ними включает взаимные визиты, совместные проекты и публикации в высокорейтинговых журналах. Лаборатория входит в состав междисциплинарного центра фундаментальных исследований МФТИ. Сейчас в ней работает один член-корреспондент РАН, три доктора наук и шесть кандидатов наук. Кроме того, активное участие в работе лаборатории принимают студенты и аспиранты.
Лаборатория располагается на первом этаже Лабораторного корпуса в 130-й комнате; с её руководителем, Борисом Петровичем Горшуновым можно связаться по электронной почте: bpgorshunov@gmail.com.
Текст был подготовлен совместными усилиями Бориса Горшунова и пресс-службы МФТИ. Ниже приведены ссылки на ряд публикаций по теме рассказа; полный перечень работ сотрудников доступен на сайте лаборатории:
О источниках терагерцевого излучения и терагерцевой спектроскопии:
1. G. Kozlov and A. Volkov, «Millimeter and submillimeter wave spectroscopy of solids,» in Topics in Applied Physics, vol. 74, G. Gruner, Ed. Berlin, Germany: Springer-Verlag, 1998.
2. B. Gorshunov, A. Volkov, I. Spektor, A. Prokhorov, A. Mukhin, M. Dressel, S. Uchida, and A. Loidl, «Terahertz BWO-spectrosopy,» Int. J. Infrared Millim. Waves, vol. 26, no. 9, pp. 1217–1240, Sep. 2005.
3. Б.П.Горшунов, А.А.Волков, А.С.Прохоров, И.Е.Спектор. Методы терагерцовой-субтерагерцовой ЛОВ-спектроскопии проводящих материалов. Физика Твёрдого Тела, том 50, вып. 11, стр. 1921-1932 (2008).
О кристаллической решетке берилла:
4. Boris P. Gorshunov, Elena S. Zhukova, Victor I. Torgashev, Vladimir V. Lebedev, Gil’man S. Shakurov, Reinhard K. Kremer, Efim V. Pestrjakov, Victor G. Thomas, Dimitry A. Fursenko, and Martin Dressel. Quantum Behavior of Water Molecules Confined to Nanocavities in Gemstones. J. Physical Chemistry Letters, vol.4, p.2015-2020 (2013).
5. Elena S. Zhukova, Victor I. Torgashev, Boris P. Gorshunov, Vladimir V. Lebedev, Gil’man S. Shakurov, Reinhard K. Kremer, Efim V. Pestrjakov, Victor G. Thomas, Dimitry A. Fursenko, A.S.Prokhorov and Martin Dressel. Vibrational states of a water molecule in a nano-cavity of beryl crystal lattice. J. Chemical Physics, 140, 224317 (2014).
Бозонный пик:
6. B.Gorshunov, E.Zhukova, V.I.Torgashev, L.S.Kadyrov, E.A..Motovilova, F.Fischgrabe, V.Moshnyaga, T.Zhang, R.Kremer, U.Pracht, S.Zapf, and M.Dressel. Boson peak in overdoped manganites La1-xCaxMnO3. Physical Review B., vol.87, 245124 (2013).
7. Amorphous Solids: Low Temperature Properties, edited by W. A. Phillips (Springer, Berlin, 1981); S. R. Elliott, Physics of Amorphous Materials, 2nd edition (Longmans, New York, 1990)
