ГИГАНТСКОЕ КОМБИНАЦИОННОЕ
РАССЕЯНИЕ СВЕТА
При рассеянии света на колеблющихся молекулах очень малая часть рассеянных фотонов переизлучается с частотой, сдвинутой на частоту колебаний молекулы. По сдвигу частоты можно идентифицировать молекулу. Этот очень слабый эффект, открытый в 1928 году в работах Рамана (Индия), Мандельштама и Ландсберга (СССР), известен как комбинационное рассеяние света (КРС).
П. Гешев, д.ф.-м.н., Институт теплофизики СО РАН
 |
|
В 1978 году было обнаружено, что для молекул, адсорбированных на шероховатых металлических поверхностях, доля так называемых рамановских фотонов в рассеянном свете увеличивается
в 106…107 раз. Это явление известно как гигантское комбинационное рассеяние света (ГКРС). В 1997 году в коллоидных растворах с наночастицами (НЧ) серебра были найдены экзотические нанообъекты (их доля 10–4), для которых выход рамановских фотонов увеличен фантастически, в 1014 раз! Это оказались димеры, то есть спаренные наночастицы. В узкой щели между наночастицами в димере образуется «горячее пятно», адсорбируясь на котором молекула попадает в огромное электрическое поле этого своеобразного наноконденсатора. Так как Раман-эффект пропорционален четвертой степени поля, это означает, что поле в щели усилено в тысячи раз по сравнению с полем в падающей световой волне. При таком усилении возможно уже измерение рамановского спектра отдельной молекулы, адсорбированной на димере.
Можно рассматривать наночастицы как активные наноантенны, выполняющие сразу несколько функций: прием электромагнитного сигнала, его преобразование в поверхностные плазмоны и усиление (концентрирование) в форме ближнего поля в щели, где расположен диполь; прием, резонансное усиление и излучение обратно в пространство сдвинутого по частоте рамановского сигнала диполя. Под действием осциллирующего внешнего поля свободный электронный газ колеблется, экспоненциально затухая внутрь НЧ, — это и есть поверхностные плазмоны. Для изготовленных из благородных металлов наночастиц в видимой части спектра возникают плазмонные резонансы. Длина волны у поверхностных плазмонов намного меньше световой и поэтому с их помощью удается сжать поле в щели и обойти запрет, налагаемый физической оптикой на размеры сфокусированного пятна света.
 |
| Рассеяние света на НЧ-димере с диполем и на системе пленка/диполь/наночастица (ε — диэлектрические проницаемости соответствующих сред). |
Так как радиус кривизны сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) имеет порядок десятков нанометров, то при боковом освещении иглы СТМ, металлической пленки и молекулы, зажатой между ними, поле в щели должно также усиливаться в сотни и тысячи раз, приводя к гигантскому усилению выхода рамановских фотонов. Это подтверждено в наших расчетах. Показано, что рамановское излучение увеличивается
в 1010…1012 раз при попадании диполя в «горячее пятно» димера или щели СТМ/пленка.
Таким образом, нам в лаборатории теоретической теплофизики удалось подтвердить электромагнитную природу феноменально больших коэффициентов усиления ГКРС для димеров с диполями и предсказать такое же увеличение для молекулы в щели под иглой СТМ. Определены оптимальные размеры, формы наночастиц и резонансные частоты плазмонных колебаний в них. Эти эффекты могут использоваться в физике, химии, медицине, биологии.
По данной теме есть хорошие контакты и информационная поддержка от зарубежных групп в Германии и Японии. Однако в России данное исследование не получило государственной поддержки. Надеялись на РФФИ, но фонд отклонил четыре наших проекта. В результате выталкиваются из науки молодые исследователи. Наш аспирант, уже успешно поработавший по этой теме в магистратуре НГУ, теперь вынужден зарабатывать на стороне. А за рубежом наблюдается бум в исследованиях по нанофизике, и наших молодых ученых туда интенсивно приглашают.
стр. 11
|
