Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время одним из наиболее перспективных и, в связи с этим, бурно развивающихся направлений в физике является исследование оптических характеристик наноразмерных объектов, а также составленных из них структур. Это следует, прежде всего, связать с появившейся совсем недавно возможностью целенаправленно распределять наночастицы в пространстве, осуществляя с достаточно высокой точностью контроль соответствующих параметров, таких как форма, материал, характерные размеры кластеров и пр., что было совершенно невыполнимо ранее. Действительно, начало теоретическим изысканиям в указанной области было положено еще в конце 19 века такими известными учеными как Рэлей [1] (исследование влияние коллоидных частиц, взвешенных в атмосфере, на цвет неба), Г. Ми и П. Дебай [2,3] (изучение светорассеяния на однородном шаре малого размера), Максвелл-Гарнетт [4] (исследование сред, которые сейчас принято называть «метаматериалами», содержащих хаотически распределенные микро-вкрапления инородных веществ), однако воплотить предложенные ими методы в реальность оказалось возможным лишь во второй половине 20 века с появлением достаточно мощных компьютеров, позволяющих проводить численное моделирование, изобретением электронного и туннельного микроскопов и развитием такого мощного метода как нанолитогра-фия, позволяющего, фактически, «рисовать» структуры из наночастиц на поверхности подстилающей среды.
С другой стороны, с развитием теории и эксперимента, так или иначе связанных с нанооптикои, возникают все новые и новые задачи, решение которых в рамках указанных подходов становится невозможным, а современные области ее практического использования, такие как, например, медицина [5], квантовый компьютинг [6], конструирование покрытий и сред с необычными оптическими свойствами на основе уже упомянутых метаматериалов [7] и пр. требуют все
более и более тщательного предварительного моделирования и просчета. Отдельного исследования требуют также и квантовые свойства подобных наност-руктурных систем, поскольку, как отмечается в различных работах (например, [8] и процитированных в данной монографии первоисточниках), при определенных условиях они являются доминирующими. В связи с этим, в настоящее время многие исследовательские коллективы по всему миру ведут интенсивные поиски теоретического подхода, численного либо аналитического, позволяющего максимально просто и, в то же время, точно решать подобного рода оптические и квантовомеханические задачи [3,8].
Целью работы является исследование оптических и магнитных характеристик различных наноструктурных образований (двухатомных систем, нанокла-стеров и их скоплений, монослоев наночастиц в вакууме и на границе раздела двух сред), квантовой природы их электродинамических свойств, а также построение и апробация комплекса моделей для постановки численных экспериментов.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
Распространение предложенного в [8-10] метода интегро-дифференциальных уравнений на случай проводящих сред, а также наноагрега-тов, состоящих из любого числа частиц, произвольным образом распределенных в пространстве.
Изучение оптического и магнитного отклика указанных структур с учетом присутствующих коллективных эффектов (многократное и когерентное рассеяние, воздействие подстилающей среды и т.д.)
Исследование квантовой природы оптических свойств металлических кластеров, а также структуры распределения электронов по объему частицы.
Построение метода, позволяющего, в рамках предлагаемой квантовой теории, интерпретировать экспериментальные данные по рассеянию света металлическими наночастицами.
Изучение оптических характеристик наноструктурной пленки, состав-
ленной из металлических кластеров, демонстрация возможности эффективного управления ее пропускательной и отражательной способностями.
6. Исследование возможности регулирования оптической видимости непрозрачных, поглощающих сред за счет нанокристаллических покрытий.
Методы исследования
Для решения поставленных задач и проверки исходных предположений и выводов был использован комплекс методов, разработанных в трудах Ландау Л. Д., Борна М., Гадомского О. Н. и Мищенко М. П., аналитические и численные методы теоретического анализа, компьютерное моделирование, а также методы статистической обработки полученных результатов.
Научная новизна работы
В системе взаимодействующих атомов, обладающих ненулевыми магнитными моментами, показано наличие магнитных резонансов, имеющих сильно смещенную, по отношению к частоте в спектре изолированного атома, резонансную частоту.
Предложена теория взаимодействия диэлектрических и металлических наноструктурных систем из любого количества сферических частиц с произвольной пространственной организацией с внешним оптическим излучением. Показано, что данный подход является более точным, нежели широко используемые электростатическое приближение и приближение парного взаимодействия и более простым, нежели теории, основанные на использовании максвел-ловских граничных условий.
Показана возможность точной перестройки частоты максимума светорассеяния коллоидной системы в широком диапазоне длин волн. Предложен принцип построения цветного пикселя на базе наночастиц.
Доказано, что оптические свойства металлических кластеров определяются дискретным набором пространственно разделенных уровней энергии электронов проводимости, рассчитаны характеризующие их квантовые пара-
метры.
Продемонстрирована возможность управления отражательной и пропус-кательной способностями наноструктурной пленки и достижения обратного лучепреломления, соответствующего отрицательному показателю преломления, за счет варьирования параметров ее элементов (размер, материал, межчастичное расстояние и т.д.).
Впервые показана возможность широкополосного оптического просветления непрозрачной среды за счет нанесения метаструктурного слоя на ее границу. Получено и исследовано условие идеального просветления.
Практическая ценность исследования
Предложенные в работе методы и модели могут быть использованы в следующих практических приложениях:
В медицине и иммунологии для интерпретации оптического отклика биомаркеров и биосенсоров на коллоидном золоте.
Конструирование наноструктурных материалов с заранее заданными электродинамическими свойствами (метаматериалов).
Создание просветляющих либо отражающих покрытий нового поколения, цветных наноиндикаторов, а также систем микроскопии ближнего поля.
Положения, выносимые на защиту
В системе из двух одинаковых либо различных атомов, находящихся в поле внешнего электромагнитного излучения образуются магнитные размерные резонансы, частоты которых сильно отличаются от частот магнитных резонан-сов в спектре изолированных атомов.
Представленная теория оптических свойств наноагрегатов позволяет изучать наноструктурные системы из сферических частиц с пространственной организацией любой степени сложности и решать более широкий спектр задач, нежели методы, использующие максвелловские граничные условия.
В системе взаимодействующих металлических кластеров образуются оп-
тические ближнепольные резонансы с возможностью гигантской перестройки резонансной частоты.
Оптические свойства изолированных металлических кластеров определяются дискретным набором пространственно разделенных уровней энергии электронов проводимости.
Предложенный метод расчета квантовомеханических характеристик финитного движения электронов проводимости в ограниченном объеме металлических нанокластеров позволяет адекватно интерпретировать экспериментальные данные и извлекать макроскопическую информацию об оптических свойствах данных объектов.
Варьирование параметров организации составленной из кластеров нано-структурной пленки позволяет в достаточно широких пределах изменять отражательную и пропускательную способности последней, а при нанесении ее на поверхность полубесконечной среды - соответствующие характеристики подложки.
Апробация результатов
Основные теоретические положения и результаты настоящей диссертационной работы были доложены и обсуждались на следующих международных и всероссийских конференциях и научных школах: «Опто-, наноэлектроника, на-нотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2005, 2006, 2007), «Всероссийская научная конференция студентов-физиков - 12» (Новосибирск, 2006), «Ломоно-сов-2006» (Москва, 2006), , «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия» (Казань, 2006), «Конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике» (Владивосток, 2006), . Выступления автора на конференциях «Ломоно-сов-2006» и «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия» удостоены дипломов за лучший доклад.
Достоверность и обоснованность
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечиваются
стандартными методами численных расчетов, а также апробацией предлагаемого подхода путем соотнесения последнего как с имеющимися эмпирическими данными, так и с теоретическими изысканиями других авторов.
Личное участие автора
Основные теоретические положения, содержащиеся в главах первой, третьей и четвертой данной диссертации разработаны совместно с научным руководителем. Глава вторая, а также пункт 3.2.3. являются собственными наработками автора. Приведенные в работе численные исследования также проведены автором самостоятельно.
Публикации
Основные результаты настоящей диссертации опубликованы в 19 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации
