5 октября 2023 года Нобелевская премия по химии была присуждена ученым Мунги Бавенди, Луису Брюсу и Алексею Екимову – первооткрывателям нанообъектов под названием “квантовые точки“. Квантовые точки представляют собой наноразмерные кристаллы полупроводников, чьи оптические свойства определяются их размером. Это является их главной особенностью. Физический смысл состоит в том, что полупроводниковые нанокристаллы с одинаковым атомным составом и структурой, но разными размерами, имеют различные значения запрещенной зоны и, следовательно, разные оптические свойства. Это позволяет тонко настраивать оптические свойства нанообъектов путем изменения их размеров.
Синтез квантовых точек с последующим изменением их оптических свойств – это активная область исследований не только за рубежом, но и в отечественной науке.
Для нашей группы (ТОП ФИАН, МПГУ, ИСАН) фотоника квантовых точек является одним из основных научных направлений в области фундаментальной и прикладной физики и физической химии. На кафедре теоретической физики им. Э. В. Шпольского в ИФТИС МПГУ проводится экспериментальное изучение физических свойств различных материалов, растворов и других физических объектов – как макро-, так и наноразмеров. Кафедра была одним из основоположников научного направления селективной лазерной спектроскопии (эффект Шпольского, выжигание спектральных провалов) и активно участвует в исследованиях по синтезу и изучению свойств новых перспективных материалов и наноструктур: люминесцентная спектроскопия, микроскопия сверхвысокого пространственного разрешения (наноскопия), атомно-силовая микроскопия, комбинационное рассеяние света и многие другие интересные темы, которые сегодня являются метапредметными и сочетают в себе физику, химию, биологию и медицину.
В Лаборатории электронных спектров ИСАН под руководством А.В.Наумова были проведены одни из первых в РФ экспериментов по детектированию спектров и наноскопии одиночных коллоидных квантовых точек, что стало логичным продолжением работа в области спектроскопии одиночных молекул (в Лаборатории был проведены первые в РФ эксперименты по детектированию спектров одиночных молекул). В ТОП ФИАН создается уникальная Лаборатория квантовых излучателей.
Исследования в этой области ведутся в плотном сотрудничестве с ведущими научно-образовательными центрами России и мирового уровня, такими как ФИАН им. П.Н.Лебедева, МГУ им. М.В.Ломоносова, ИАЭ СО РАН, Сколтех, ИСАН, ИКГХ СО РАН, Лундский университет (Швеция), Квинслендский университет (Австралия) и Институт физики им. Степанова (Минск, Беларусь).
Результаты исследований публикуются в рецензируемых изданиях высокого уровня, презентуются на пленарных докладах и приглашенных лекциях на крупнейших профильных конференциях и симпозиумах. Работы молодых ученых МПГУ в области физики квантовых точек были отмечены различными наградами и призами, включая публикации в журнале Фотоника (Photonics Russia).
– 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 известного 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
В МПГУ проводятся исследования в области спектромикроскопии квантовых точек, которые сочетают в себе методы флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения и физической химии квантовых точек. Это подтверждает актуальность выбранных направлений исследований в Лаборатории физики перспективных материалов и наноструктур ИФТИС МПГУ, которая поддерживается Государственным заданием МПГУ при поддержке Министерства Просвещения РФ, а также Грантом Президента РФ Ведущей научной школы под руководством чл.-корр. РАН Наумова А.В.