Квантовая плазмоника

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

КВАНТОВАЯ ПЛАЗМОНИКА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила студентка

                                               Николаева Т.С.

                                           Физико-энергетический факультет,

                                               гр. О-010400-41

 

 

2014 г.

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время весь земной шар опутан оптическими волокнами, по которым передаются колоссальные потоки информации, закодированной в световых сигналах. Однако недавно исследователи разработали новый способ передачи оптических сигналов через наноскопические структуры.

Было экспериментально установлено, что при определенных условиях между световыми волнами, направленными на границу раздела между металлом и диэлектриком, и подвижными электронами на поверхности металла возникает резонансное взаимодействие. То есть, электроны начинают колебаться в такт с колебаниями электромагнитного поля над металлом. В результате чего возникают поверхностные плазмоны — волны плотности электронов, которые распространяются вдоль границы раздела, как рябь на поверхности пруда, потревоженной упавшим камнем.

Особенностью данной области является то, что она прочно основывается на законах классической физики.

Используя свет для создания волн электронной плотности, названных плазмонами, можно передавать оптические сигналы по наноскопическим проводникам. Плазмонные цепи обладают колоссальной пропускной способностью, и поэтому их можно использовать для передачи огромных объемов информации внутри сверхбыстрых микросхем. Применение плазмонных компонентов также позволит повысить разрешение микроскопов, эффективность светоизлучающих диодов и чувствительность химических и биологических датчиков. Некоторые ученые считают, что плазмонные материалы способны искривлять электромагнитные поля вокруг объектов, делая их невидимыми.

 

 

 

 

ПЛАЗМОНИКА.

Исследования поверхностных плазмонов начались в 1980х гг., когда химики стали изучать это явление с помощью рамановской спектроскопии, при которой для определения структуры образца по молекулярным колебаниям наблюдают рассеяние на нем лазерного света. В 1989 г. Томас Эббезен (Thomas Ebbesen) из научно-исследовательского института японской фирмы NEC обнаружил, что тонкая золотая пленка с миллионами микроскопических отверстий по непонятным причинам пропускает больше света, чем следовало ожидать. Девять лет спустя Эббезен пришел к выводу, что передачу электромагнитной энергии усиливали поверхностные плазмоны.

Новое развитие плазмоника получила после открытия так называемых метаматериалов, которым колебания электронов придают поразительные оптические свойства

Прогрессу плазмоники также способствовали постоянное увеличение вычислительных мощностей, позволяющее ученым точно моделировать сложные электромагнитные поля, и появление новых методов создания наноскопических структур, в том числе сверхмалых плазмонных устройств.

 

СВЕТ-ИДЕАЛЬНЫЙ ПЕРЕНОСЧИК ИНФОРМАЦИИ

 

На первый взгляд, металлические структуры не годятся для передачи световых сигналов из-за больших оптических потерь в металлах. Электроны, колеблющиеся в электромагнитном поле, сталкиваются с атомами кристаллической решетки и быстро рассеивают энергию поля. Но на границе между тонкой пленкой металла и диэлектриком потери плазмонов меньше, чем в толстом металлическом слое, потому что поле распространяется по непроводящему материалу, где нет свободных электронов, которые могли бы колебаться, и, следовательно, нет никаких столкновений, рассеивающих энергию.

Таким образом, плазмоны оказываются привязанными к поверхности металла, примыкающей к диэлектрику: например, в «бутерброде» из диэлектрика и металла поверхностные плазмоны распространяются только в плоскости раздела двух сред.

Поскольку плоские плазмонные структуры действуют как волноводы, направляющие электромагнитные волны вдоль границы металла с диэлектриком, их можно использовать для передачи сигналов внутри чипа.  Несмотря на то, что оптический сигнал испытывает в металле большие потери, чем в диэлектрике (например, в стекле), плазмон проходит в тонкой пленке металлического волновода1 несколько сантиметров, прежде чем затухнуть. Наибольшая дальность распространения достигается тогда, когда волновод работает асимметрично и выталкивает большую часть электромагнитной энергии из направляющей металлической пленки в окружающий диэлектрик, тем самым снижая потери. Поскольку электромагнитные поля на верхней и нижней поверхности металла взаимодействуют друг с другом, частоты и длины волн плазмонов можно регулировать, изменяя толщину пленки.

В 1990х гг. были разработаны плоские плазмонные компоненты, выполняющие те же функции (например, расщепление передаваемой волны), что и чисто диэлектрические устройства. Такие структуры могут пригодиться для передачи данных внутри микросхемы, но электромагнитные поля, сопровождающие плазмоны, слишком велики, чтобы передавать сигналы по наноскопическим внутренностям чипа.

 

СВЕТ В КРОШЕЧНЫХ ПРОВОДНИКАХ.

 

Плазмоны всегда перемещаются по границе между металлом и диэлектриком. Свет, сфокусированный на прямой канавке в металле, создает плазмоны, которые распространяются в тонком слое его поверхности (вдоль границы между металлом и воздухом). В плоском волноводе плазмон может пройти несколько сантиметров — вполне достаточно для передачи сигналов из одной части микросхемы в другую. Однако довольно большая волна будет создавать помехи другим сигналам в наноскопических внутренностях чипа.

 

 

ЩЕЛЕВОЙ ПЛАЗМОННЫЙ ВОЛНОВОД

 

 

Чтобы сократить размеры плазмонного проводника, нужно окружить диэлектрик металлом. В таком щелевом волноводе длина световой волны сокращается более чем в десять раз. Ученые уже изготовили щелевые волноводы шириной всего 50 нм, что сопоставимо с размерами электронных элементов современных микросхем. По такой плазмонной цепи можно передавать намного больше данных, чем по электрической, но сигнал в ней затухает на расстоянии 100 мкм.

 

 

БОЛЕЕ БЫСТРЫЙ ЧИП

 

С помощью щелевых волноводов можно значительно повысить быстродействие микросхем. На рисунке относительно большие диэлектрические волноводы подводят оптические сигналы к плазмонным переключателям (плазмонсторам), соединенным с обычными электронными транзисторами. Плазмонсторы состоят из щелевых волноводов шириной 100 нм, сужающихся до 20 нм в точках пересечения

Чтобы создать плазмоны, распространяющиеся по нанопроводникам, исследователи рассмотрели волноводы более сложной формы, в которых волна втискивается в узкое пространство, за счет чего ее длина уменьшается. Штефан Майер из Калифорнийского технологического института (Stefan Maier) создал структуру, состоящую из линейных цепей золотых точек диаметром менее 100 нм. Луч видимого света с длиной волны 570 нм вызывал в точках резонансные колебания и создавал поверхностные плазмоны, которые перемещались вдоль цепей, ограниченные плоской дорожкой высотой 75 нм. Группа в Граце достигла похожих результатов и получила картину плазмонов, распространяющихся по точечным цепям.  Однако потери на поглощение в них оказались довольно высокими: сигнал затухал после прохождения от нескольких сотен до нескольких тысяч нанометров, поэтому такие волноводы подходят только для очень коротких межсоединений.

Но потери можно снизить, вывернув плазмонный волновод наизнанку и окружив диэлектрик металлом. В получившемся плазмонном щелевом волноводе длина волны плазмонов зависит от толщины диэлектрика.

Группой из Калифорнийского технологического института и группой Марка Бронджерсма (Mark Brongersma) из Стэнфордского университета было показано, что плазмонные щелевые волноводы могут передавать сигналы на десятки микрон. Хидеки Миядзаки (Hideki Miyazaki) из японского Национального института материаловедения получил поразительный результат, втиснув красный свет (с длиной волны в свободном пространстве 651 нм) в плазмонный щелевой волновод толщиной 3 нм и шириной 55 нм. Длина волны поверхностного плазмона, распространяющегося в таком устройстве, составила всего 51 нм, т.е. примерно 8% от длины волны в свободном пространстве.

Таким образом, возбуждая материалы видимым светом, можно получать сигналы в мягком рентгеновском диапазоне с длинами волн между 10 нм и 100 нм. Длину волны можно уменьшить более чем в 10 раз относительно ее величины в вакууме, и при этом частота сигнала остается неизменной. (Произведение длины волны на ее частоту остается равным скорости света в среде, поскольку электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль границы металл — диэлектрик, замедляются.) Поразительная способность сокращать длину волны открывает дорогу к созданию наноскопических плазмонных структур, которые могли бы заменить чисто электронные схемы из проводников и транзисторов.

Для печати микросхем на кремниевых подложках сейчас используется литография. Аналогичная технология подойдет и для серийного выпуска крошечных плазмонных устройств с множеством узких диэлектрических полос и промежутков между ними. Полосковые системы будут направлять волны положительных и отрицательных зарядов вдоль металлической поверхности. Колебания плотности электронов очень похожи на переменный ток, распространяющийся по обычному проводу. Но поскольку частота оптического сигнала гораздо выше несущей частоты электрического, плазмонное межсоединение в состоянии передавать намного больше данных. Кроме того, поскольку электрический заряд не перемещается по плазмонным цепям (электроны периодически собираются в сгустки и разбегаются, а не текут в одном направлении), они не обременены паразитными сопротивлениями и емкостями, ограничивающими пропускную способность электрических межсоединений.

НАНОСФЕРЫ И ПЛАЩ-НЕВИДИМКА

 

Спектр применения плазмонных устройств выходит далеко за рамки вычислительной техники. Наоми Халас (Naomi Halas) и Питер Нордлендер (Peter Nordlander) из Университета Райса разработали наносферы, которые состоят из тонкого слоя золота толщиной 10 нм, нанесенного на поверхность кварцевых частичек диаметром 100 нм. Облучение их электромагнитными волнами вызывает колебания электронов в золотой оболочке. Поскольку поля на ее внутренней и внешней поверхности взаимодействуют, длина волны, при которой происходит резонансное поглощение энергии, зависит от размера сферы и толщины золотого слоя. Таким образом, можно проектировать наносферы, выборочно поглощающие волны с длинами от нескольких сотен нанометров (синий край видимого спектра) до 10 мкм (ближняя инфракрасная область).

 

ПЛАЗМОНЫ ПРОТИВ РАКА

 

Считается, что для уничтожения раковых опухолей можно использовать свойства плазмонов. Введенные в кровоток наносферы (частички кварца диаметром 100 нм, покрытые тонким слоем золота) концентрируются в быстрорастущей опухоли. Свет инфракрасного лазера проходит через кожу и разогревает наносферы, возбуждая в них резонансные колебания электронов. Высокая температура убивает клетки опухоли, а окружающие здоровые ткани остаются нетронутыми.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В 2004 г. Халас и ее коллега Дженнифер Уэст (Jennifer West) ввели в кровоток мышей со злокачественными опухолями плазмонные частицы и обнаружили, что они не токсичны. Более того, наносферы сконцентрировались не в здоровых тканях тела грызунов, а в быстрорастущих злокачественных опухолях, к которым интенсивнее поступает кровь. (В принципе, наносферы можно присоединять к антителам, чтобы гарантировать, что они будут нацелены на раковые образования.)

К счастью, ткани живых организмов прозрачны для инфракрасного излучения в определенном диапазоне длин волн. Когда исследователи направляли свет инфракрасного лазера через кожу мышей на опухоли, резонансное поглощение энергии во внедренных наносферах поднимало температуру злокачественных образований с 37 °С до 45 °С. Светотепловое нагревание убивало раковые клетки, оставляя окружающую здоровую ткань нетронутой.

У мышей, которых лечили наносферами, все признаки рака исчезли в течение десяти дней, тогда как у животных из контрольных групп опухоли продолжали быстро расти.

 

ПЛАЗМОНЫ И ДИОДЫ.

Плазмонные наночастицы можно использовать для создания кремниевых светодиодов. Они были бы намного дешевле, чем обычные светодиоды из нитрида или арсенида галлия, но сейчас их не производят из-за низкой интенсивности излучения света. Группа из Калифорнийского технологического института в сотрудничестве с командой Альберта Полмана (Albert Polman) из Института атомной и молекулярной физики Голландского фонда фундаментальных исследований материи показала, что объединение серебряных или золотых плазмонных наноструктур с матрицами кремниевых квантовых точек существенно повышает интенсивность испускаемого ими света. Кроме того, частота, на которой происходит усиленное излучение, зависит от размера наночастиц. Согласно результатам вычислений, тщательной настройкой частоты плазмонного резонанса и точным подбором расстояния между частицами металла и полупроводником можно добиться увеличения интенсивности излучения более чем в сто раз. В результате кремниевые светодиоды будут светиться так же ярко, как и традиционные.

Возможно, самым удивительным потенциальным применением плазмоники было бы изобретение плаща-невидимки.

Возбуждение плазмонной структуры излучением на ее резонансной частоте может сделать ее коэффициент преломления равным коэффициенту преломления для воздуха, и тогда она перестанет преломлять и отражать свет. Можно покрыть такую конструкцию материалом, усиливающим оптический сигнал подобно резонатору спазера, чтобы возместить потери на поглощение и сделать ее невидимой, по крайней мере, в определенном диапазоне частот.