5 октября 2023 года Нобелевский комитет Королевской шведской академии наук определил лауреатов премии в области химии. Ими стали ученые Мунги Бавенди, Луис Брюс и Алексей Екимов – первооткрыватели нанообъектов, получивших название «квантовые точки». Квантовые точки представляют собой наноразмерные кристаллы различных полупроводников, оптические свойства которых определяются их размером. В этом заключается главная особенность таких нанообъектов. Физический смысл этого состоит в том, что полупроводниковые нанокристаллы, идентичные по атомному составу и строению, но отличные друг от друга по размеру, будут иметь разные величины запрещенной зоны, а значит – и разные оптические свойства. Это позволяет проводить тонкую настройку оптических свойств нанообъектов с помощью варьирования их размеров.
Разработка синтеза квантовых точек с последующем варьированием их оптических свойств – тема, развивающаяся не только за рубежом, но в отечественной науке.
В МПГУ фотоника квантовых точек является одним из основных направлений научной работы в области фундаментальной и прикладной физики и физической химии. На кафедре теоретической физики им. Э.В.Шпольского МПГУ осуществляется экспериментальное изучение физических свойств различных материалов, растворов и других физических объектов – как макро, так и наноразмеров. Кафедра стояла у истоков научного направления селективной лазерной спектроскопии (эффект Шпольского, выжигание спектральных провалов), а в настоящее активно участвует в работах по синтезу и исследованию свойств новых перспективных материалов и наноструктур, в т.ч. люминесцентная спектроскопия, микроскопия сверхвысокого пространственного разрешения (наноскопия), атомно-силовая микроскопия, комбинационное рассеяние света и многие другие интересные темы, на сегодняшний день являющиеся метапредметными – на стыке физики, химии, биологии и медицины
С 2020 года на базе кафедры теоретической физики им. Э.В. Шпольского под руководством заведующего этой кафедры, член-корреспондента РАН, руководителя ТОП ФИАН Наумова А.В. создана и работает уникальная научная лаборатория для проведения экспериментов в области спектроскопии одиночных квантовых объектов и флуоресцентной наноскопии, где, в том числе, проводятся экспериментальные и теоретические исследования в области физики полупроводниковых коллоидных квантовых точек.
В лаборатории создан оригинальный измерительный комплекс, включающий узкополосный лазерный источник, перестраиваемый в широком спектральном диапазоне; высокостабильный He4-криостат замкнутого цикла для оптической спектромикроскопии; визуализирующий спектрометр; совмещенный зондово-оптический микроскоп; ультрачувствительные детекторы. Измерительный комплекс используется для изучения процессов электрон-фононного взаимодействия в квантовых точках, как одиночных, так и композитах на их основе, поиска возможностей управления параметрами этого взаимодействия.
Работы в этом направлении проводятся в тесном контакте с ведущими российскими и зарубежными научно-образовательными центрами: ФИАН им. П.Н.Лебедева, МГУ им. М.В.Ломоносова, ИАЭ СО РАН, Сколтех, ИСАН, ИКГХ СО РАН, Lund University (Sweden), Queensland University (Australia), Институт физики им. Степанова (Минск, Беларусь).
Полученные результаты публикуются в престижных рецензируемых изданиях, представляются в пленарных и приглашенных лекциях и докладах на известных конференциях и симпозиумах. Работы молодых ученых МПГУ в области физики квантовых точек отмечены наградами и призами. В частности, в международном рецензируемом журнале Фотоника (Photonics Russia) два масштабных обзора по физике полупроводниковых квантовых точек:
– А. И. Аржанов, А. О. Савостьянов, К. А. Магарян, К. Р.Каримуллин, А. В. Наумов, Фотоника полупроводниковых квантовых точек: фундаментальные аспекты // Фотоника. 2021. Т. 15. №8. С. 622-640. DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.8.622.641
– Аржанов А. И., Савостьянов А. О., Магарян К. А., Каримуллин К. Р., Наумов А. В., Фотоника полупроводниковых квантовых точек: прикладные аспекты // Фотоника. 2022. ‒ T. 16, № 2. ‒ C. 96-112. DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.2.96.112
Результаты совместной работы с группой видного ученого, заведующего лабораторией ИАиЭ СО РАН (Новосибирске) члена-корреспондента и профессора РАН Суровцева Н.В. в направлении исследования электрон-фононного взаимодействия в композитах с квантовыми точками опубликованы в серии статей:
– К.Р. Каримуллин, А.И. Аржанов, Н.В. Суровцев, А.В. Наумов, Электрон-фононное взаимодействие в композитах с коллоидными квантовыми точками: исследование методами люминесцентной спектроскопии и комбинационного рассеяния света // Оптика и спектроскопия. 2022. Т. 130. №1. С.146-150 DOI: 10.21883/OS.2022.01.51902.42-21
– Karimullin, K. R., Arzhanov, A. I., Eremchev, I. Y., Kulnitskiy, B. A., Surovtsev, N. V., & Naumov, A. V. Combined photon-echo, luminescence and Raman spectroscopies of layered ensembles of colloidal quantum dots// Laser Physics. 2019. V. 29. №12. Art. №124009. DOI: 10.1088/1555-6611/ab4bdb
Помимо исследования взаимодействия квантовых точек с окружением в нанокомпозитах с квантовыми точками научной группой исследуются эффекты мерцания фотолюминесценции, ультрабыстрая динамика (с использованием техники фотонного эха), безызлучательные процессы (с использованием техники измерения кинетики люминесценции) в том числе на уровне одиночных квантовых точек:
– Каримуллин К.Р., Аржанов А.И., Наумов А.В. Изготовление и оптическая характеризация нанокомпозитов с полупроводниковыми коллоидными квантовыми точками // Известия РАН. Серия физическая. 2017. Т. 81. № 12. С. 1581-1586. [K.R. Karimullin, A.I. Arzhanov, A.V. Naumov, Preparation and Optical Characterization of Nanocomposites with Semiconductor Colloidal Quantum Dots // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2017. V. 81. №. 12- . P. 1396-1400]
– Arzhanov A.I., Karimullin K.R., Naumov A.V. Incoherent Photon Echo in an Inhomogeneous Ensemble of Semiconductor Colloidal Quantum Dots at Low Temperatures // Bulletin of the Lebedev Physics Institute. 2018. V. 45. № 3. P. 91-94.
В серии работ, реализованных экспериментальной группой к.ф.-м.н. И.Ю.Еремчева в сотрудничестве с известным физиком-теоретиком П.А.Французовым (Институт химической кинетики и горения СО РАН) проведены эксперименты и разработаны теории, описывающие релаксационную динамику в одиночных квантовых точках.
– Eduard A. Podshivaylov, Maria A. Kniazeva, Aleksei A. Gorshelev, Ivan Yu. Eremchev, Andrei V. Naumov, and Pavel A. Frantsuzov. Contribution of electron-phonon coupling to the luminescence spectra of single colloidal quantum dots // J. Chem. Phys. . 2019. V. 151. Art. № 174710. DOI: 10.1063/1.5124913
– Eduard A. Podshivaylov, Maria A. Kniazeva, Alexander O. Tarasevich, Ivan Yu. Eremchev, Andrei V. Naumov and Pavel A. Frantsuzov. A quantitative model of multi-scale single quantum dot blinking // Journal of Materials Chemistry C. 2023, 11, 8570-8576 DOI: 10.1039/D3TC00638G
В этом же направлении несколько лет назад были получены значимые результаты вместе с выдающимся физиком-теоретиком проф. И.С.Осадько:
– I.Yu Eremchev, I.S. Osad’ko, A.V. Naumov, Auger Ionization and Tunneling Neutralization of Single CdSe/ZnS Nanocrystals Revealed by Excitation Intensity Variation // Journal of Physical Chemistry C. 2016. V. 120. №. 38. P. 22004–22011.
– I.S. Osad’ko, I.Yu. Eremchev, A.V. Naumov, I.S. Osad’ko, I.Yu. Eremchev, A.V. Naumov, Two mechanisms of fluorescence intermittency in single core/shell quantum dot // J.Phys.Chem.C 2015. V. 119. P. 22646-22652
По тематике исследования оптических свойств квантовых точек в коллективе успешно защищена кандидатская диссертация Магаряном К.А. в 2019 г. на тему: «Спектрально-люминесцентные свойства нанокомпозитов с квантовыми точками CdSe, выращенных в жидкокристаллической фазе алканоата кадмия», а в 2023 году представлена к защите диссертация Аржанова А.И. «Низкотемпературная динамика композитов с полупроводниковыми коллоидными квантовыми точками: микроскопия и оптическая спектроскопия с высоким временным и пространственным разрешением».
В МПГУ по направлению исследования квантовых точек были реализованы следующие научные гранты:
- грант Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых – кандидатов наук «Нанокомпозиты с полупроводниковыми квантовыми точками: исследование методами селективной лазерной спектроскопии с высоким временным и пространственным разрешением» МК-342.2017.2 (2017-2018) Рук. Каримуллин К.Р.
- грант Российского фонда фундаментальных исследований «Исследование оптических свойств одиночных квантовых излучателей и их ансамблей в диэлектрических средах при воздействии лазерного излучения» 16-02-01174 (2016-2018) Рук. Гладуш М.Г.
- грант Российского фонда фундаментальных исследований «Оптическая эхо-спектроскопия и флуоресцентная микроскопия новых люминесцентных наноматериалов с полупроводниковыми коллоидными квантовыми точками» 18-02-01121-А (2018-2020) Рук. Каримуллин К.Р.
- Грант Президента РФ для поддержки ведущих научных школ РФ «Оптико-спектральная наноскопия квантовых объектов и диагностика перспективных материалов» НШ-776.2022.1.2 (2022-2023) Рук. А.В.Наумов
Работы в области спектромикроскопии квантовых точек ведутся в МПГУ, фактически, на стыке двух Нобелевских премий по химии – премии 2014 года за разработку методов флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения и нынешней – за физическую химию квантовых точек, подтверждая актуальность выбранных направлений исследований Лаборатории перспективных материалов и наноструктур МПГУ (тема Государственного задания МПГУ при поддержке Министерства Просвещения РФ) и поддержанной Грантом Президента РФ Ведущей научной школы под руководством чл.-корр. РАН Наумова А.В.
