Технология SCULL от НОЦ ФМН: прорыв в биомедицине, энергетике и создании квантовых устройств

22 августа 2019 года
Российская команда учёных и инженеров предложили принципиально новый технологический подход для создания уникальных приборов на новых физических принципах. Потери полезного сигнала из-за несовершенства материалов до сих пор являются ключевым барьером на пути разработки сверхчувствительных лечебно-диагностических комплексов, квантовых компьютеров будущего, абсолютно защищенных систем безопасности и т.п. Ведущие мировые лаборатории уже десятки лет активно работают над поиском новых технологических подходов. Сотрудникам научно-образовательного центра «Функциональные Микро/Наносистемы» (НОЦ ФМН) удалось разработать оригинальное оборудование и серийную технологию получения материалов с ультрамалыми потерями, близкими к теоретическому пределу. Причем, эта универсальная технология может одновременно применяться в разработках в области биомедицины, нанофотоники, энергетики, квантовых вычислений и коммуникаций. 
scull - civ.jpg  scull - 1.png
Последние десятилетия, например, научными группами всего мира ведутся исследования в области квантовой наноплазмоники, которая может позволить создать оптические и квантовые суперкомпьютеры нового поколения, низкопороговые нанолазеры, одномолекулярные биосенсоры, эффективные солнечные батареи и метаматериалы. Квантовая плазмоника сегодня – это стремительно развивающееся направление исследований мирового научного сообщества. Однако потери в металлах до сих пор ограничивают широкое практическое внедрения плазмонных устройств. Совершенные тонкие пленки серебра теоретически обладают минимальными потерями среди всех металлов, но на протяжении почти 60 лет ни кому в мире не удавалось это подтвердить экспериментально из-за фундаментальных технологических ограничений, связанных с особыми природными свойствами серебра. 

Инженеры и ученые МГТУ им. Н.Э. Баумана и ВНИИА им. Н.Л. Духова — одного из ведущих предприятий Госкорпорации «Росатом», на базе совместного НОЦ «Функциональные Микро/Наносистемы» (НОЦ ФМН), всего за полтора года разработали оригинальную технологию нанесения (осаждения) совершенных пленок серебра в вакууме. Ученые реализовали оригинальную вакуумную установку и предложили принципиально новый подход к «сборке» ультрагладких тонких пленок металлов за счет управления их ростом на уровне атомов (SCULL-технология). Помимо уникальных свойств полученных материалов, не имеющих аналогов в мире, разработанная технология сравнительно дешевая и может быть использована практически в любой современной лаборатории. 

Независимые экспериментальные исследования свойств образцов, проведенные главным России, а также в ведущих исследовательских центрах США и Англии, подтвердили уникальные параметры разработанной в России технологии. Запатентованная технология и подтвержденные экспериментально значения существенно превосходят достижения лидирующих в этой области научных групп из США и Швейцарии, некоторые из которых работают над аналогичными технологиями уже более 20 лет. Разработанный в НОЦ ФМН комплекс технологий открывает принципиально новые горизонты в изучении фундаментальной физики и практической реализации важнейших квантовых устройств. 

scull -2.jpg

Илья Родионов, директор НОЦ ФМН, рассказал о созданной технологии и планах: «Это довольно долгая история, но, к счастью, с положительным результатом. Мы задумали эту разработку с нашими партнерами из ИТПЭ РАН еще в 2014 году. Для целого ряда перспективных приборов нанофотоники требовались «совершенные» материалы практически без потерь – только тогда всё начинало работать. Но таких материалов не было ни в одной лаборатории мира. Подробно изучив несколько сотен статей, мы спроектировали оригинальную вакуумную установку, пришли к ректору МГТУ им. Баумана, он нас «услышал» и помог с финансированием. Изготовление установки одной из лучших компаний из Канады и тонкая доработка у нас в центре заняли около 1,5 лет. А потом начались тяжелые будни – примерно за год непрерывной работы, техника работала и все выходные, мы изготовили и проанализировали более тысячи образцов и нашли! Нашли нестандартный механизм – технологию, которая не только обеспечила беспрецедентное качество осаждаемых пленок металлов, но и позволила сделать это абсолютно повторяемым для широкого спектра материалов и дешевым способом. Представьте, мы умеем создавать практически структурно идеальные тонкие пленки металлов с шероховатостью поверхности на уровне диаметра атома самого материала пленки, т.е. 90-200 пикометров (в миллион раз меньше диаметра волоса). Сегодня эти технологии мы используем в разработках уникальных устройств в области нанофотоники, квантовых компьютеров, биосенсоров и другого». 

Владимир Шалаев (профессор Университета Пардью (США), директор по направлению нанофотоника Birck Nanotechnology Center (США)) об истории сотрудничества с командой НОЦ ФМН и SCULL материалах: «…После обсуждения на одной из конференций мы получили от коллег из Бауманского университета первые образцы, результаты измерений нас действительно приятно удивили. Наша команда сотрудничает с лучшими мировыми группами в области нанофотоники и квантовой плазмоники, но SCULL технология и образцы бауманцев сегодня действительно не имеют аналогов. Для ряда наших исследований, например, при изготовлении однофотонных источников излучения в Университете Пардью, мы используем именно эти образцы. Мне очень приятно, что в России появляются действительно уникальные технологические разработки и возможности…» 

Разработанная технология прошла национальную стадию патентования, а также подана заявка на международный патент, устанавливающий российский приоритет более чем в 140 странах мира. В мае 2019 года в статье журнала Science разработанная технология отмечена ведущей исследовательской командой США, как одна из ключевых технологий на пути создания перспективных устройств квантовой обработки информации. 

Данные публикации: 
Quantum Engineering of Atomically Smooth Single-Crystalline Silver Films
Ilya A. Rodionov, Aleksandr S. Baburin, Aidar R. Gabidullin, Sergey S. Maklakov, Sven Peters, Ilya A. Ryzhikov, Alexander V. Andriyash 
Scientific Reports 9, 12232 (2019) (ImF 4,011)
Все новости