Фотонні кристали - нові матеріали для фотоніки та отптоінформатики

З часу появи людини розумної (Homo sapiens) близько 200000 років тому (дата визначена на основі порівняння поліморфізмів мітохондріальної ДНК та датування закам’янілих останків радіовуглецевим та іншими природничо-науковими методами) її життя в значній мірі визначалось розвитком матеріальної культури, яка включала виготовлення та використання нових конструкційних і функціональних матеріалів. Так з’явилися поняття “кам’яна доба”, “мідно-кам’яна доба”, “бронзова доба”, “залізна доба”, які визначали ранні періоди розвитку історії людства. Пошук нових матеріалів триває й понині. Особливу роль серед функціональних матеріалів нині відіграють фотонні метаматеріали для фотоніки й оптоінформатики – нового напрямку в науці та техніці, який використовує закони поширення світла (потоку фотонів) та оптичні явища в суцільному середовищі для перетворення, обробки та передачі інформації.

У 1972 році радянський фізик В.П.Биков уперше встановив можливість формування дозволених та заборонених інтервалів частот (зон) для електромагнітних хвиль (фотонів) у періодичних структурах. У 1987 році американським фізиком, який працював у Bell Communications Research, Елі Яблоновичем (Eli Yablonovitch) було вперше запроваджено поняття забороненої зони для електромагнітних хвиль (electromagnetic band gap) в надґратках (crystal superlattice), у яких штучно створено додаткове поле з періодом, порівняним з довжиною хвилі. Ним та відомим канадським фізиком-теоретиком Джоном Сайєєвим (John Sajeev) з University of Toronto було показано: 1) в області повної фотонної забороненої зони неможливо спонтанне випромінювання, для якого потрібна наявність власних станів у спектрі випромінених фотонів; 2) фотони можуть локалізуватися на діелектричних дефектах, призводячи до утворення зв’язаних атомно-фотонних станів. Невдовзі після цього терміни «структури з фотонною забороненою зоною» (photonic band gap structures (PBG)) і «фотонний кристал» (photonic crystal) стали ключовими поняттями найновішого напрямку в сучасній оптиці. Нині всі провідні лабораторії світу, що займаються проблемами матеріалів для фотоніки, включились у пошук і дослідження нових оптичних матеріалів – фотонних кристалів. Роботи ведуться високими темпами та великими силами. Буквально кожного дня з’являються нові результати в цій області. Дослідження фотонних кристалів – одна з найгарячіших тематик у найбільших світових центрах науки, високотехнологічного бізнесу та на підприємствах військово-промислового комплексу. Вже отримані та очікувані результати в галузі фізики фотонних кристалів мають таке ж саме значення, як і створення інтегральної мікроелектроніки в 1960-і роки на основі кремнію. Серед основних методів отримання фотонних кристалів можна виділити такі: фотолітографія, голографічна фотополімеризація, стереолітографія, електронно-променева літографія, молекулярна технологія, метод колоїдного самозбирання. Отримання досконалих тривимірних глобулярних структур методом колоїдного самозбирання та широкі можливості модифікації їх оптичних властивостей шляхом інфільтрації речовинами різної хімічної природи дозволяє створювати на їх основі нові регулярні та стохастичні нанокомпозиційні матеріали з унікальними оптичними властивостями. Досягнення в області створення фотонних кристалів стимулюють розвиток фотоніки й оптоінформатики. Темпи зростання ринку фотоніки у провідних країнах світу на порядок перевищують середні темпи зростання економіки. У 2006 р. світовий ринок пристроїв і систем фотоніки складав приблизно 180 мільярдів доларів і подвоївся у 2010 р. З 2000 р. в університетах США, Англії та Німеччини почалася підготовка фахівців у галузі «Photonics» та «Optical and Photonic Engineering». Найвищою вершиною фотоніки та оптоінформатики є створення повністю оптичного нейронно-мережевого комп’ютера, можливості якого наблизяться до можливостей мозку людини. Зараз у розвинених країнах досягнуті значні успіхи на цьому напрямку.

Развиток фотоніки залучає в цю область все більшу кількість людей: від науковців і виробників до робітників торгових фірм і сфери сервісу. Зростає число споживачів оптоінформаційних систем і технологій, ринок яких швидко розширюється. Становлення України як незалежної держави в сучасних умовах неможливе без використання новітніх технологій у фотоніці й оптоінформатиці, основою якого є висококваліфіковані, технічно грамотні національні кадри.

На кафедрі фізики твердого тіла та оптоелектроніки факультету фізики, електроніки та комп’ютерних систем Дніпропетровского національного університету ім. Олеся Гончара протягом тривалого часу ведуться фундаментальні дослідження оптичних явищ у нелінійних діелектричних і фотонних кристалах із перспективою їх використання в оптоінформаційних системах. Створені всі умови й ведеться підготовка фахівців із оптоелектроніки та фотоніки, попит на яких зростатиме по мірі насичення ринку України оптичними технологіями в різних галузях народного господарства.

В.М. Моісеєнко,
професор кафедри фізики
твердого тіла та оптоелектроніки.