Провозглашение известным американским физиком Э. Теллером (создателем атомной бомбы и одним из авторов стратегической оборонной инициативы) [1]
"Тот, кто раньше овладеет нанотехнологией, займет ведущее место в техносфере следующего столетия."
не является пиаром или ложно вброшенным лозунгом, который предназначен заменить известный ранее в науке стимул - гонку вооружений в период холодной войны новой технологической гонкой. Всем известны печальные факты несвоевременно начатой гонки технологий противостоящих мировых держав США и Советского Союза, и чем она кончилась для России. Почему же на современном состоянии развития науки и технологий нано- технологии рассматриваются как революционные, прорывные технологии?
Можно было бы следовать пессимистическим, и заведомо продуманным, усыпляющим заявлениям проф. А. Шварева, автора жаргонной связки «нано-пурга» [2…4] (ну, не Э. Теллер же), и считать, что нано-размерные конгломераты в химии и физике ничего общего с революционным развитием науки не имеют. Вполне можно поддержать и мнение крупнейших специалистов РФ по традиционной микроэлектронике [5] «Наноэлектроника есть логическое продолжение и развитие микроэлектроники, а не перешагивание через нее и не отрицание. Это не умаление значимости наноэлектроники, а всего лишь корректная характеристика ситуации.».
Действительно, по авторитетному мнению [6], модернизированная полупроводниковая классика – как в технологии, так и в теории транзисторов – будет работать, по крайней мере, до 10 нм. Переход от микро-размерных транзисторов и диодов к нано-размерным - это просто естественный ход развития технологий. Так же естественным развитием надо считать и развитие технологий размельчения на промышленных грохотах до нано-размерных порошков и порошковых смесей (бетон, краски, лаки). Однако, никого из здравомыслящих ученых и специалистов промышленности не усыпят рассуждения о тривиальности технологий формирования массивов 2D и 3D нано-размерных структур, в которых чувствительные и излучающие элементы представляют собой квантовые точки и квантовые колодцы, а, сами структуры, являются продуктом молекулярно-лучевой эпитаксии с управляемой, послойной само сборкой элементов матричных структур химических соединений [7].
Особым направлением нанотехнологического развития являются исследования по синтезу регулярных и фрактальных наноразмерных структур методами коллоидной самосборки [8] и фотоэлектронного синтеза в высокоразрешающих регистрирующих полимерных средах параллельными методами, в отличие от первоначально провозглашенного последовательного метода формирования наноструктур – «атом за атомом». Научными обоснованиями этих технологических отработок являются как эволюционные исследования: создание компьютерно (графически)- синтезированных голограмм (CGH), создание фотонных кристаллов, так и революционные – создание метаматериалов, обоснование которых идет от пионерских исследований советского физика В.Г. Веселаго. (Напомню, что метаматериалы выделены в отдельный класс материалов, так как их свойства зависят не от их химического состава, а от микроструктуры, упорядоченной особым образом. В частности, такими свойствами могут быть отрицательная диэлектрическая и магнитная проницаемость и, как следствие, отрицательный (или левосторонний) коэффициент преломления [9].)
Более 40 лет назад В.Г. Веселаго, следуя предположениям Мандельштама опубликовал три статьи [9…12], в которых показывает возможность и необходимость создания неизвестных до этих публикаций новых материалов с одновременно отрицательными значениями ε и µ. В этом цикле, начатом еще в 1966 – 1967 годах, В.Г. Веселаго указал на весьма необычные электродинамические свойства сред, которые характеризуются одновременно отрицательными значениями электрической и магнитной проницаемостей. Эти свойства могут быть полностью объяснены и описаны, если принять, что такие вещества обладают отрицательным значением коэффициента преломления n. В своих первых работах В.Г. Веселаго особо подчеркнул, что электродинамика веществ с отрицательным значением n представляет несомненный общефизический интерес и очень логично дополняет привычную нам электродинамику веществ с положительными величинами n. Однако в то время еще не были известны вещества с отрицательными значениями n, и именно это обусловило достаточно спокойную реакцию на первые публикации В.Г. Веселаго, хотя значимость этих результатов уже тогда была очевидна.
Всем хорошо известны последствия этих пионерских работ [10,12,13,14]. В МФТИ одним из академиков работы были отнесены к «лженаучным». В.Г. Веселаго был вынужден переключиться на исследование традиционных магнитных явлений и, лишь через 35 лет эти научные предположения были развиты английским физиком Дж. Пендри (J.B.Pendry. ) [16,17]. В 2000г физиками Университета Калифорнии (Сан-Диего) ( David R. Smith and Richard A. Shelby) [18…20] был синтезирован новый класс композитных материалов, обладающий отрицательными электрической и магнитной проницаемостями в микроволновом диапазоне [18]. Новый материал представляет собой массив микроскопических медных проволочек и колечек, помещенных в основу из стекловолокна. Необходимая конфигурация массива была специально рассчитана для получения отрицательного n.
Уже в первых экспериментах группы американских ученых были подтверждены основные свойства этих материалов, указанные В.Г. Веселаго в его работах. Важно подчеркнуть, что американские ученые полностью сослались в своих публикациях на статьи В.Г. Веселаго и сейчас он является общепризнанным основателем этого направления. Сейчас эта тематика бурно развивается, количество публикаций в ней измеряется сотнями в год, ежегодно проводятся международные конференции по данной тематике, причем В.Г. Веселаго получает многочисленные приглашения на участие в них в качестве приглашенного докладчика. Эксперименты, проведенные в этой области, подтвердили предсказания В.Г. Веселаго о том, что плоскопараллельная пластина, выполненная из материала n= - 1, обладает фокусирующими свойствами, подобно обычной выпуклой линзе. В настоящее время В.Г. Веселаго продолжает развивать данное направление [14,15]. Им, в частности, обобщен принцип Ферма на случай распространения электромагнитной волны сквозь среду с отрицательным значением n. Можно с полным основанием утверждать, что заложенные В.Г. Веселаго основы нового направления являются выдающимся вкладом в электродинамику сплошных сред. И, лишь в 2004 году президиум РАН постановил: присудить премию имени В.А. Фока 2004 года доктору физико-математических наук Веселаго Виктору Георгиевичу (Московский физико-технический институт Минобрнауки России) за цикл работ «Основы электродинамики сред с отрицательным коэффициентом преломления» [21]. Постараюсь выделить ответы В.Г. Веселаго на вопрос: «в чем заключается необычность свойств метаматериалов с одновременно отрицательными значениями ε и µ ?» (см. также обзоры [22…24])
В.Г.Веселаго предсказал создание метаматериалов с «левосторонними» свойствами, в отличие от привычных нам материалов с правосторонним расположением тройки векторов H, E, k, характеризующих распространение магнитной, электрической составляющих и вектора k электромагнитной волны в материалах с положительными значениями показателя преломления. В метаматериалах с отрицательными значениями показателя преломления многие процессы и оптические свойства распространения электромагнитных волн имеют существенные отличия от традиционных материалов. К основным отличиям относятся необычные свойства:
- вектор Пойнтинга S и вектор k электромагнитной волны направлены в противоположные стороны, при сохранении правосторонней ориентации S относительно векторов Е и Н (волна распространяется на источник излучения). Т.к. вектор k совпадает по направлению с фазовой скоростью, то ясно, что левые вещества являются веществами с так называемой отрицательной групповой скоростью, которая осуществляется, в частности в анизотропных веществах или при наличии пространственной дисперсии.
- в левых веществах будет наблюдаться обращенный Доплер-эффект
- методами геометрической интерпретации отрицательного показателя преломления можно показать, что традиционные оптические элементы: - двояко выпуклая линза работает как рассеивающая линза, а двояко вогнутая, как собирающая. Обычная плоскопараллельная пластина с n= -1 в гомоцентрическом потоке выступает в роли собирающей линзы, при выполнении условия l < d. (где l расстояние источника от пластины, d. - толщина пластины ).
- как показано в работах английского физика Дж. Пендри разрешающая способность линз из материалов с отрицательным показателем преломления существенно преодолевает дифракционный предел Аббе [25, 39 ].
Эти необычные свойства «левосторонних» метаматериалов объясняются не только теориями В.Г. Веселаго-Дж. Пендри, но и свойствами формирования магнитной составляющей H в виде вихревых торов, «нанизываемых» на электрическую составляющую E, правильно описанных в монографии д.ф-м.н. И.C. Желудева [26] и косвенно подтвержденные экспериментальной работой д.ф-м.н. А.Т. Протасевича. Вышеприведенные замечания хорошо согласуются и с уравнениями Дж. Максвелла, скорректированными физиком из Нижнего Новгорода В.Я. Косыевым в его монографии «Единая теории поля, пространства и времени» [27]. Фазовая трактовка уравнений плоской волны распространяющейся в цилиндрических и сферических оптических элементах, предложенная автором настоящей статьи, позволила уточнить, что выводы В.Я. Косыева об объективном существовании 4х самостоятельных подпространств-времени в гиперкомплексной интерпретации приводят к 4 парным подпространствам времени [38]. Выведенные уравнения геометрического поля пространственных частот (ГППЧ) обусловлены синхронными отображениями распространения электромагнитной волны в таких элементах на основе трактовки деления единичного отрезка и окружности единичной длины в соответствии с правосторонними и левосторонними коэффициентами фрактальности. Свойства коэффициентов фрактальности обусловлены разложением числовых рядов на гармонические составляющие. Объясняются, в совокупности, названными теориями и многие необычные явления прохождения электромагнитного излучения через металлы с малым ослаблением [28], так же как и результаты Российских и зарубежных авторов по описанию рекордных достижений, полученных при отработке новых методов микроскопии нано-размерных структур:
- акустическая микроскопия гигагерцового диапазона (50нм., 50нс., 1984г. [29, 33] ),
- тунельная зондовая микроскопия (единицы нм., доли сек., 1985г. [32]),
- X –ray диффракционная микроскопия (15нм., 2007г. Цзяньвэй Мяо (JianweiMiao [34,35]),
- разрешения суперлинз, построенных на многослойных и однослойных нано-структурированных линзах (125нм, вместо 365нм 2008г. [36,37])
Многократный опыт Российских и зарубежных исследований целым рядом примеров показывает, что необычные и не вписывающиеся в традиционные представления теории и экспериментальные факты в конечном варианте становятся рабочим инструментом науки и технологий Почему названые выше направления развития нано- технологий можно считать революционными?
Дело в том, что попытка ряда фондов развития науки и корпораций ограничить нано- технологии размерностными определениями (1…100нм) являются порочными и приводят лишь к многотоннажным фальсификациям. Простое размельчение многих природных продуктов до названных размеров не всегда приводят к существенному скачку развития при их применении. Нанотехнологии начинаются там, где естественными, или искусственными способами собираются регулярные 2D и 3D массивы с управляемой самосборкой их внутренней структуры из объединения нескольких единиц и многих сотен молекул и атомов химических элементов по принципу синтеза «снизу вверх». Нано- наука начинается там, где на созданных нано- массивах и структурах исследуется их взаимодействие с электромагнитными и гравитационными полями и излучениями различной природы. В силу того, что составляющими элементами нано- структур выступают конгломераты из множества молекул и атомов, их взаимодействие с полями и излучениями отлично от известных и установленных законов макро- и микро- миров. Нано- структуры являются как бы переходными слоями между этими мирами. Вот почему для объяснения явлений взаимодействия с излучениями и, в частности, при микроскопическом анализе нано- структур, необходимо учитывать, что нано- технологии оперируют переходными уравнениями от уравнений электродинамики к уравнениям квантовой механики. И здесь на переходном барьере многое еще не изучено и сулит нам неожиданные открытия и прорывные решения.
Примером таких решений являются перечисленные выше новые методы и принципы микроскопии нано- размерных структур под дифракционным пределом Аббе. Например, очевидно, что к туннельной зондовой микроскопии не применимы описания классической электродинамики. В макро- оптике предельная разрешающая способность объектива оценивается уравнением для определения первого диаметра абберационного кружка рассеяния точки, который определяется выражением (1). Открытие Бинингом и Г. Рорером, сотрудниками швейцарского отделения компании IBM, сканирующего туннельного микроскопа, за которое они в 1986 году были удостоены Нобелевской премии [32] до настоящего времени не до конца понимается многими физиками и химиками, и при этом, параметры разрешающей способности туннельных зондовых микроскопов приводятся с рядом оговорок.
Общей чертой всех сканирующих зондовых микроскопов (и определяющей их название) является наличие микроскопического зонда, который приводится в контакт (не всегда речь идет о механическом контакте) с исследуемой поверхностью и, в процессе сканирования, перемещается по некоторому участку поверхности заданного размера. Процесс сканирования осуществляется при помощи пьезокерамического манипулятора (или системы манипуляторов). Зонд движется последовательно, строка за строкой, вдоль поверхности (изменяются координаты X и Y). Для оцифровки данных участок сканирования разбивается на N строк, а каждая строка на M точек, таким образом, положение иглы в плоскости XY описывается двумя координатами Xi, Yj из множества {Xi, Yj} N×M точек (обычно выбирают N=M). Результатом работы сканирующего зондового микроскопа является установление соответствия между каждой парой координат из множества {Xi, Yj} и некоторым числовым значением (или рядом значений), характеризующим анализируемый параметр поверхности (или ряд параметров). В сканирующем туннельном микроскопе взаимодействие зонда и поверхности проявляется в протекании постоянного тока в туннельном зазоре между ними. Для плотности туннельного тока (в приближении плоских металлических электродов и вакуумного туннелирования) справедлива формула (2). Из анализа формулы (2) следует, что при изменении расстояния зонд-образец на один ангстрем величина туннельного тока изменяется на порядок. Поскольку величина взаимодействия зонд-образец столь существенно зависит от расстояния d, то это позволяет системе обратной связи поддерживать величину d постоянной в процессе сканирования с высокой точностью. Данное обстоятельство обуславливает высокое пространственное разрешение СТМ при определении ``топографической'' функции Z|It=const(X,Y) [32]. Как следует из приведенных цитируемых обоснований, анализ разрешающей способности сканирующего зондового микроскопа проводится не на языке электродинамики и не на языке чистой квантовой механики. Другими словами: - в туннельной зондовой микроскопии взаимодействие и разрешающая способность метода обусловлены прямым контактом частиц, атомов и молекул иглы зондирующего датчика с частицами, атомами, молекулами 2D и 3D наноразмерных структур.
Требует еще детального анализа и теоретического описания явления сверх- разрешения, экспериментально подтвержденные лабораторными отработками группой исследователей лаборатории проф. Xiag Zhang`s при анализе нано- размерных структур в дальнем поле приблизительно lambda/3 (125 nm на рабочей длине волны 365 nm) (см. Рис. 3) [36, 37]. При объяснении результатов исследований Xiag Zhang ссылается на ранние публикации Pendry, J. B. [39] и группы исследователей E. Betzig, J.K. Trautman, T.D. Harris, J.S. Weiner and R.L. Kostelak [41], получивших еще в 1991 году разрешение 12 nm ( прблизительно lambda/43) на ближнепольном сканирующем оптическом микроскопе. В этой же статье для объяснения результатов было введено понятие слабых затухающих волн ("эванесцентных" волн), (evanescent wave). Более детально с понятием эванесцентных волн можно ознакомиться по статье [40]. Рисунки, поясняющие введенное понятие представлены в копированных формах Рис.4 и Рис.5.
Pendry, J. B. рассматривает S-поляризованную световую волну в вакууме и дает для электрического поля выражения (3-6). На основании этих символьных решений для радиальных и тангенциальных составляющих S-поляризованной световой волны, полученных из квадратичного уравнения (7), в ряде статей исследовательской группы Xiag Zhang показывается, что многослойная нано- структурированная метал-диэлектрическая цилиндрическая линза (гиперлинза) обладает свойством нелинейной гиперболической дисперсии (что подходит под определения В.Г. Веселаго для определения левосторонних материалов). Однако их экспериментальные результаты могут быть хорошо объяснены и представлениями д.ф-м.н. И.C. Желудева в совокупности с экспериментальной работой д.ф-м.н. А.Т. Протасевича при введении понятия геометрической «волны» считывания [22,42], см. Рис. 6. Предложения по совершенствованию метода достижения сверхразрешения на нано- структурированных метал-диэлектрических цилиндрических линза (гиперлинзах) в дальней зоне могут быть получены при учете естественной зонной структуры сегментированных элементов фрактальной оптики, к которым полуцилиндрические линзы были отнесены в ранних работах автора настоящей статьи [43,44].
В статье коллектива авторов лаборатории проф. Xiag Zhang со ссылкой на статью Дж Пендри [39] подчеркивается, что новая концепция формирования изображений, названная ими superlensing received должна обратить внимание исследователей что восстановление с помощью эванесцентных волн обеспечивает создание суб- дифракционного формирования изображений в дальней зоне без сканирования. В действительности все становиться на свои места при математическом описании с введением понимания того, что никаких мистических слабых взаимодействий не требуется. Сканирование исходного изображение осуществляется многократно геометрическими «волнами» считывания, порождаемыми в диэлектрических слоях при многократных отражениях от наноразмерных слоев металла (35 нм). Опрос исходного изображения проводится обратными дифракционными потоками от каждого слоя диэлектрика.. Но, для того, чтобы понимать каким образом необходимо избавляться от перепутанности лучей опроса необходимо знание распределения толщин зонных слоев диэлектрика, обусловленных математическими законами, которые формируют эти зоны в естественных сегментированных элементах фрактальной оптики [44]. Необходимо знать методики послойного синфазирования лучей обратных дифракционных потоков.
Какие новые результаты по отработке композитных метаматериалов получены в последние годы:
- Подтверждена гипотеза В.Г. Веселаго о фокусирующих свойствах плоскопараллельной пластины из левосторонних композитных материалов
- Доказана возможность имитации невидимости с использованием композитных метаматериалов в микроволновом и акустическом полях
- Созданы макеты линзовых элементов с суб-диффракционным разрешением из однослойных и многослойных нано- размерных структур
- Созданы образцы пленочных фотоэлементов, вырабатывающих электроэнергию в ИК и тера-Герцовом диапазонах спектра электромагнитных колебаний
Ссылки см. в обзорах [23, 24, 30, 31]
Список использованных источников:
-
П. Лускинович. Нанотехнология, "Компьютерра" №41 от 13 октября 1997 года
-
А. Шварев, Нано-пурга: правда, стоящая за эйфорией нанотехнологии (на правах ворчалки), Портал Нанометр, Эл. Пуб.
- А. Шварев, Нано-пурга –II: нанорога и нанокопыта нанобизнеса, Портал Нанометр, Эл. Пуб.
- А. Шварев, Нано-пурга III - Разоблачение мифа о триллионном нанотехнологическом рынке Портал Нанометр, Эл. Пуб.
- Ю.Носов, А.Сметанов. На пути в наноэлектронику. Исторические параллели и сопоставления. Электроника, Наука, Технология, Бизнес, Выпуск № 5/2007
- Валиев К.А., Лукичев В.Ф., Орликовский А.А. Кремниевая наноэлектроника: проблемы и перспективы. – Нанотехнологии и материалы, 2005, с.17–29.
- Паршин А.С., «Физика поверхности и границ раздела», Технология тонких пленок и многослойных структур, учебный курс САА
- I. L. Chen, Georg von Freymann, Sung Yeun Choi, Vladimir Kitaev, and Geoffrey A. Ozin. Amplified Photochemistry with Slow Photons. Adv. Mater. 2006, 18, 1915–1919
- Личная страница В.Г. Веселаго
- О его 75 летии
- В.Г. Веселаго 1967г.
- В.Г. Веселаго 1968г. V. G. Veselago, "The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ," Sov. Phys. Usp. 10, 509-514 (1968).
- V.G.Veselago. Electrodynamics of substances with simultaneously negative electrical and magnetic permeabilities, Sov. Phys. Usp. 10, 509-517 (1968). .
- В.Г. Веселаго УФН (2002)
- В.Г. Веселаго УФН (2003)
- J.B.Pendry. Negative Refraction Makes a Perfect Lens. Physical Review Letters -- October 30, 2000 - Volume 85, Issue 18, pp. 3966-3969.
- Pendry, J. B., Holden, A. J., Robbins, D. J. & Stewart, W. J. IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 47, 2075–2084 (1999).
- Shelby, R. A., Smith, D. R. & Schultz, S. Science 292, 77–79 (2001).
- Smith, D. R., Schurig, D. & Pendry, J. B. Some of the waves emitted or reflected Appl. Phys. Lett. 81, 2713–2715 (2002).
- D.R. Smith, W.J., Padilla, D.C. Vier, S.C. Nemat-Nasser, S. Schultz, Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity, Physical Review Letters 84 (2000) 4184.
- О присуждение премии имени акад. Фока 2004г.
- Г.С. Мельников, А.А Ошарин. Математическое моделирование композитных материалов с отрицательным показателем преломления и результаты предварительных экспериментальных исследований на графически-синтезированных фрактальных топологиях.
- А.Синицкий. Метаматериалы.
- Anatoliy O. Pinchuk* and George C. Schatz Metamaterials with gradient negative index of refraction J. Opt. Soc. Am. A/Vol. 24, No. 10/October 2007
- E. Abbe. Arch.Mikroskop. Anat. 9, 413 (1873)
- И.C. Желудев. Симметрия и ее приложения.,М. «Атомиздат», 1976г.
- В.Я. Косыев. Единая теория поля, пространства и времени – Нижний Новгород: Издательство «Арабеск», 2000 – 178с.
- Е. Протасевич. «Радиотехника и электроника» 1998, т.43, №1, с.57
- С.М.Аванесян, Н.И. Желудев. Фононы в кристаллах. Библиография
- NikolayI. Zeludev. What diffraction limit. Commentary. 2008, Nature Publishing Group
- Sunny Bains. Nanotechnology. March of the Metamaterials. SPIE Newsroom
- Галлямов Марат Олегович, Яминский Игорь Владимирович, Сканирующая зондовая микроскопия: основные принципы, анализ искажающих эффектов
- Ю. В. Гуляев, В. П. Плесский. Распространение поверхностных акустических волн в периодических структурах
- Changyong Song, Raymond Bergstrom, Damien Ramunno-Johnson, Huaidong Jiang, David Paterson,Martin D. de Jonge, Ian McNulty,3 Jooyoung Lee,4 Kang L. Wang, and Jianwei Miao, Nanoscale Imaging of Buried Structures with Elemental Specificity Using Resonant X-Ray Diffraction Microscopy. Physical review letters, PRL 100, 025504 (2008), 18 JANUARY 2008
- Сайт Cogerent Imaging Group, Цзяньвэй Мяо (JianweiMiao)
- Xiang Zhang and Zhaowei Liu, "Superlenses to overcome the diffraction limit", Nature Materials , 7, 435, 2008 view pdf
- Сайт лаборатории проф. Xiag Zhang`s
- Г.С. Мельников. Возможные и невозможные структуры пространства-времени с точки зрения теории чисел.
- Pendry, J. B., “Negative Refraction Makes a Perfect Lens,” Phy. Rev. Letters, Vol. 85, No. 18, 3966-3969, 30, Oct. 2000.
- Long Gen Zheng and Wen Xun Zhang. Discussion on Negative Refraction and Perfect Lens, Progress In Electromagnetics Research Symposium 2005, Hangzhou, China, August 22-26
- E. Betzig, J.K. Trautman, T.D. Harris, J.S. Weiner and R.L. Kostelak “Breaking the diffraction barrier – optical microscopy on a nanometric scale”, Science 251, 1468…1470 (1991)
- Г.С. Мельников, А.А. Ошарин. Модельные и экспериментальные исследования графически-синтезированных голограмм с заданными дифракционными свойствами.
- Мельников Г.С.,Ларионов С.А., Михеев П.А., Цветков Е.А.// Изв. АН, Серия физическая, М., 1995.,т 59, N12, с143...150., Gennady S. Melnikov, Sergey A. Larionov, Pyotr A. Mikheev, Eugeny A. Tsvetkov "Discrete scanning systems for digital optical processing and transfer of images by systolic methods", journal B.R.A.S PHYSICS, Vol.59 No. 12 1995, pp2097-2103 Allerton Press, Inc./ New York.
- Melnikov G.S. Gnoseology of fractality – fractal optics // Proc. SPIE. – 1997. – V. 3010. – P. 58–68.