Из пыли DVD-дисков — в будущее оптики: российские физики создали материал, меняющий лазерный свет

Современная фотоника переживает стремительный рывок — российским ученым удалось добиться рекордного усиления лазерного излучения, используя материал, знакомый каждому по старым DVD-дискам. Исследователи из университета ИТМО совместно с Московским институтом электронной техники создали тончайшую пленку, которая способна преобразовывать лазерное излучение с эффективностью, недостижимой для предыдущих технологий. Это открытие обещает перевернуть подход к разработке лазерных систем, микроскопов и квантовых устройств.

Что открыли физики

Главное достижение исследователей — создание пленки из халькогенидного сплава германия, сурьмы и теллура (Ge₂Sb₂Te₅). Этот материал давно применялся в оптических носителях, таких как DVD-диски, благодаря способности "запоминать" фазу. Теперь его уникальные свойства нашли новое применение — в лазерной оптике.

Толщина новой пленки составляет всего 20 нанометров, что в десятки раз меньше толщины человеческого волоса. Несмотря на микроскопические размеры, устройство способно уменьшать длину волны лазерного луча втрое, превращая инфракрасное излучение в ультрафиолет. Этот процесс называется генерацией третьей гармоники — именно он лежит в основе множества технологий визуализации в медицине и биофотонике.

"Чем тоньше пленка в аморфной фазе, тем более эффективно происходит генерация", — пояснил аспирант университета ИТМО Даниил Литвинов.

Как работает новая технология

В основе изобретения лежит эффект фазового перехода. Под действием лазера сплав может менять структуру — переходить из аморфного состояния в кристаллическое и обратно.

При этом резко изменяются его оптические свойства

• в аморфной фазе материал активно преобразует свет,
• в кристаллической — генерация практически исчезает.

Таким образом, устройство можно включать и выключать, управляя прохождением света.

"В аморфном состоянии пленка преобразует инфракрасное излучение в третью гармонику с эффективностью 9x10⁻⁶", — отметил руководитель исследования Артем Синельник.

Эта эффективность превосходит существующие наноповерхности в 100-1000 раз, что делает разработку абсолютным рекордсменом в своей области.

Традиционные и новые источники третьей гармоники

Почему это важно для науки и медицины

Эффект генерации третьей гармоники широко применяется в лазерных микроскопах — особенно при изучении живых клеток, где нельзя использовать красители. Чем короче длина волны излучения, тем выше разрешение и точность изображения. Новое устройство из ИТМО может заменить несколько громоздких лазерных источников, существенно упростив и удешевив оборудование.

Кроме того, компактность и стабильность пленки делают её идеальной для фотонных интегральных схем — ключевого элемента в системах квантовой связи и оптических вычислений будущего.

Советы шаг за шагом: применение технологии

1. Биомедицина. Использовать устройство в лазерных микроскопах для исследования тканей без красителей.
2. Фотонные чипы. Встраивать нанопленку в интегральные схемы для обработки световых сигналов.
3. Оптические сенсоры. Применять для сверхточного анализа химического состава веществ.
4. Квантовые коммуникации. Использовать для преобразования и передачи данных на световых частотах.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: использование громоздких систем генерации гармоник.
• Последствие: потери энергии и низкая точность.
• Альтернатива: компактная пленка ИТМО толщиной 20 нм, в тысячи раз эффективнее.
• Ошибка: применение обычных метаповерхностей без фазового контроля.
• Последствие: невозможность точной настройки светового потока.
• Альтернатива: использование халькогенидного сплава с переключаемыми состояниями.
• Ошибка: игнорирование миниатюризации.
• Последствие: увеличение затрат на производство приборов.
• Альтернатива: интеграция нанопленки в микрооптические системы.

А что если…

А что если такие пленки можно будет наносить на обычные оптические элементы — линзы, зеркала или даже камеры смартфонов? Тогда появятся миниатюрные спектроскопы и лазерные сенсоры, способные видеть на клеточном уровне. Разработка ИТМО — лишь первый шаг к этой реальности, но он уже открывает путь к фотонной электронике нового поколения.

Плюсы и минусы технологии

FAQ

Как материал из DVD оказался полезен в науке?

Халькогенидный сплав, применявшийся в дисках для записи данных, обладает свойством изменять структуру под действием лазера — это свойство и используется в новой оптике.

Где можно применить эту технологию?

В медицинских сканерах, системах связи, квантовых компьютерах и микроскопах.

Чем она лучше существующих аналогов?

Пленка тоньше, быстрее и эффективнее в сотни раз, при этом сохраняет стабильность при миллионе циклов переключения.

Мифы и правда

• Миф: тонкие пленки не могут быть долговечными.
• Правда: разработка ИТМО выдерживает до миллиона циклов без деградации.
• Миф: генерация гармоники возможна только в громоздких установках.
• Правда: современные нанопленки позволяют достичь того же эффекта на площади микроскопа.
• Миф: dvd-технологии устарели.
• Правда: их материалы стали основой для новейших фотонных устройств.

Исторический контекст

Халькогенидные сплавы впервые начали использовать в 1980-х для хранения информации на CD и DVD-дисках. Они могли "запоминать" лазерный сигнал, изменяя фазу структуры. Теперь, спустя сорок лет, тот же материал открывает новое направление — лазерную нанофотонику, где каждая частица света управляется с точностью до нанометра.

3 интересных факта

1. Пленка толщиной 20 нм в 5000 раз тоньше человеческого волоса.
2. Переключение фаз в материале занимает всего 10 наносекунд.
3. Устройство может работать более миллиона циклов без потери свойств.

Используя материал из старых DVD-дисков, российские физики создали нанопленку, которая меняет длину волны лазерного луча в три раза эффективнее любых аналогов. Эта технология открывает путь к миниатюрным фотонным схемам и новым возможностям квантовой оптики будущего.