Ультразвук на частоте 10 ГГц – визуализация нового поколения

Речь идет о создании технологии ультразвуковой визуализации нового поколения. Новый метод увеличивает разрешение в 1000 раз по сравнению с УЗИ оборудованием, которое применяется в медицине сегодня. Исследователи Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики США продемонстрировали аппаратуру для генерации, обнаружения и контроля ультразвуковых волн в нанодиапазоне.

Золотые плазмонные наноструктуры в форме швейцарского креста могут преобразовывать лазерное излучение в звуковые волны сверхвысокой частоты (10 ГГц).

С помощью лазера, формирующего субпикосекундные импульсы, и уникальных наноструктур, группа, которую возглавляет Сян Чжан, научный сотрудник отделения материалов лаборатории в Беркли, добилась генерации акустических фононов — квазичастиц колебательного движения атомов кристаллической решетки, — на частоте 10 гигагерц (10 миллиардов циклов в секунду). Для сравнения современное оборудование для ультразвуковой диагностики в медицине работает на частоте около 20 мегагерц (20 миллионов циклов в секунду). Фононы частотой 10 ГГц могут не только обеспечить беспрецедентное разрешение акустических изображений. Они помогают увидеть подповерхностные структуры, недоступные для оптических и электронных микроскопов.

Мы продемонстрировали оптическую когерентность при управлении акустическими фононами их обнаружении в наноструктурах. Эта технология открывает новые возможности разработки источников когерентных фононов и нанофононных устройств для химического распознавания, управления тепловой энергией и коммуникации, — говорит Чжан, именной профессор, получающий стипендию Эрнеста С. Ку, в Калифорнийском университете (UC) в Беркли. Кроме того он руководит Центром нанонауки и наноинженерии Национального научного фонда США (National Science Foundation) и является членом Института нанотехнологий Кавли (Kavli Energy NanoSciences Institute) в Беркли.

Чжан — ответственный автор публикации о данном исследовании в журнале Nature Communications. Она называется «Ultrafast Acousto-plasmonic Control and Sensing in Complex Nanostructures» («Сверхбыстрый контроль и обнаружение акустических плазмонов в сложных наноструктурах»). Ведущими авторами являются Кевин О’Брайен и Норберто Дэниэл Ланциллотти-Кимура, члены исследовательской группы Чжана. Кроме того в состав соавторов вошли Чонсок Ро, Хаим Суховски и Сяобо Инь.

Акустическая визуализация имеет ряд преимуществ по сравнению с оптической визуализацией. Способность акустических волн проходить через живые ткани, не причиняя вреда, сделала сонограммы популярным инструментом диагностики. Кроме того ультразвук успешно используется для неразрушающего контроля материалов. В последние годы акустические волны сверхвысоких частот стали предметом интенсивного изучения. Фононы СВЧ-диапазона могут проникать через материалы, непроницаемые для фотонов, частиц света. Кроме того СВЧ-фононы перемещаются при меньшей длине волны, что улучшает разрешение при ультразвуковой визуализации.

Самой трудной задачей было найти эффективные методы генерации, обнаружения и контроля акустических волн СВЧ диапазона. Чжан, О’Брайен, Ланциллотти-Кимура и их коллеги решили ее, создав наноструктуры, которые поддерживают плазмоны и фононы в различных модах. Плазмоны — это волны колебаний электронов проводимости на поверхности металла.

Благодаря взаимодействию фононов и плазмонов, которые локализуются на поверхности, мы можем проследить свойства сложных фононных мод для волн ниже оптического диапазона, — говорит О’Брайен. — Это позволяет нам изучать сложную наномеханическую динамику с помощью нестационарной абсорбционной спектроскопии в состоянии поляризации.

Плазмоны могут использоваться для ограничения световых волн в субволновом объеме пространства и отлично подходят для управления механическим движением в нанодиапазоне благодаря большому сечению поглощения, субволновой локализации поля и высокой чувствительности к изменениям геометрии и показателя преломления.

Чтобы генерировать акустические колебания частотой 10 ГГц в плазмонных наноструктурах, мы используем так называемый пикосекундный ультразвук, — рассказывает О’Брайен. — Лазер формирует субпикусекундные импульсы, возбуждающие плазмоны, которые выделяют энергию в виде тепла. Наноструктура стремительно расширяется и генерирует когерентные акустические фононы. Таким образом фононы лазера преобразуются в когерентные фононы.

Для обнаружения когерентных фононов используется второй лазерный импульс, который возбуждает плазмоны на поверхности датчика. При перемещении плазмонов по поверхности наноструктуры их резонансная частота меняется, поскольку геометрия наноструктуры искажается фононами. Это позволяет исследователям выявлять механическое движение в нанодиапазоне с помощью оптических средств.

Мы имеем возможность регистрировать сверхбыстрые движения вдоль разных осей наших наноструктур, просто вращая плоскость поляризации импульса датчика, — говорит Ланциллотти-Кимура. — Поскольку мы доказали, что поляризация импульса накачки не влияет на наши наноструктуры благодаря диффузии горячих электронов, мы можем задавать параметры фононных мод, создавая наноструктуры с заданной симметрией.

При синхронной осцилляции горизонтальной и вертикальной части креста он продуцирует симметричные фононы. Когда синхронизация отсутствует, генерируются антисимметричные фононы. Эти различия позволяют обнаруживать движение в нанодиапазоне.

Плазмонные наноструктуры, разработанные Чжаном, О’Брайеном, Ланциллотти-Кимура и их коллегами, изготовлены из золота и имеют форму швейцарского креста. Толщина каждого креста — 35 нанометров, размеры по горизонтали и по вертикали — 120 и 90 соответственно. При синхронной осцилляции горизонтальной и вертикальной части креста он продуцирует симметричные фононы. Когда синхронизация отсутствует, генерируются антисимметричные фононы.

Сдвиг фаз в фононных модах порождает интерференцию, которая позволяет нам различать симметричные и антисимметричные моды, используя плазмоны, локализующиеся на поверхности, — говорит О’Брайен. — Возможность генерировать и обнаруживать моды различной симметрии или с разным пространственным распределением в структурах позволяет нам лучше распознавать движение в нанодиапазоне, а это приближает нас к практическому применению акустических фононов сверхвысоких частот.

Плазмонные наноструктуры в форме швейцарского креста позволяют избирательно возбуждать и обнаруживать механическое движение на частотах, измеряемых гигагерцами. Тем самым эти структуры обеспечивают возможности контроля и распознавания, необходимые для акустической СВЧ-визуализации. В материаловедении акустические СВЧ-вибрации могут служить своеобразными «молоточками», которые создают нагрузки в нанодиапазоне, направленные вдоль разных осей. Эти нагрузки можно обнаружить, наблюдая за реакцией плазмонов. Чжан и его исследовательская группа планируют использовать такие молоточки для генерации и обнаружения сверхскоростных вибраций в других системах, в том числе в двумерных материалах.