Et gennembrud inden for plasmonik

EPFL -forskere har opdaget, hvordan optisk signaloverførsel kan kontrolleres, baner vejen for integration af plasmonik med konventionelle elektroniske kredsløb.

Når lys rammer et metal under visse omstændigheder, det genererer en densitetsbølge af elektronerne på dens overflade, som at kaste en sten i vand. Denne bølge kaldes en plasmon, og den er lille og hurtig, forekommer ved optiske frekvenser. Plasmonik, undersøgelse af plasmoner, har fået enorm interesse på verdensplan, da det kan tilbyde en måde at bygge bro mellem elektroniske og optiske kredsløb inden for teknologier som computere, skabe superhurtige processorer. Imidlertid, integration af plasmonik med regelmæssige elektroniske kredsløb kræver evnen til at styre plasmonerne. I en spændende Nano bogstaver offentliggørelse, EPFL -forskere, der samarbejder med Max Plank Institute, har fundet ud af, hvordan plasmoner kan kontrolleres med hensyn til energi og plads.

Optiske fibre har allerede ændret den måde, vi kommunikerer på, ved at bruge lys til at overføre digitale data og høje båndbredder og på tværs af lange afstande, men kræver relativt omfangsrige "tråde", der i det væsentlige er fire-lags rør med reflekterende interiør. På den anden side, elektriske ledninger er tyndere og lettere at fremstille, men overføre data med en meget lavere hastighed. Plasmonics har potentiale til at bygge bro mellem optik og elektronik og kombinere deres fordele uden ulemper.

Ideen er enkel:Brug lys til at kode og transmittere data ved optiske frekvenser over overfladen af ​​en konventionel elektrisk ledning. Ofte omtalt som "lys på en ledning", plasmonics er blevet et hurtigt voksende felt, der lover mange spændende nye teknologier. Disse omfatter ekstremt følsomme biosensorer, markant forbedret telekommunikation og en ny generation af computerprocessorer, der kan fungere med ultrahurtige hastigheder. Da plasmoner er bølger af ophidsede overfladeelektroner frem for bevægelse af faktiske partikler, plasmonisk transmission kan være størrelsesordener hurtigere end elektronisk transmission.

Forskere fra Max-Planck-EPFL Center for Molekylær Nanovidenskab og Teknologi har nu bragt os et skridt tættere på en æra med plasmonik ved at vise, at de molekylære orbitaler på et metals overflade fungerer som små porte, der kan styre plasmoner energisk og rumligt. Den største hindring for at integrere plasmonik i konventionelle elektroniske kredsløb er, at prototype -enheder skal nanokonstrueres. Det betyder, at de kræver kontrollerbare grænseflader mellem nanoelektronik og nano-optik. Forskerne fandt ud af, at løsningen ligger i de enkelte molekylære orbitaler:matematiske funktioner, der beskriver de elektronskyer, der dannes, når atomer går sammen i et molekyle.

Anført af Klaus Kern, teamet brugte et scanningstunnelmikroskop (STM) til at undersøge iridiumkomplekser afkølet til en absolut nul temperatur (5 grader Kelvin). STM -mikroskopi udnytter tunnelleringen af ​​elektroner fra en metaloverflade til en meget skarp metallisk spids, der kan scannes over metaloverfladen. På vej til spidsen, nogle af elektronerne mister energi. Denne energi ophidser svingninger (plasmoner) ved metaloverfladen og spidsen og kan derefter observeres ved udsendelse af lys til en optisk detektor.

Teamets data viste, at excitation af plasmoner aktivt kan styres af et enkelt molekyle. Studerer et iridiumkompleks, de opdagede, at dets molekylære orbitaler - effektivt de særlige energiniveauer - fungerer som små porte, der bestemmer dannelsen af ​​plasmoner både energisk og rumligt, selv ned til områder mindre end selve molekylet. Faktisk, i molekyler, hvis elektronstruktur er kendt, både energien og placeringen af ​​genererede svingninger kan forudsiges, hvilket betyder, at det nu er muligt faktisk at styre dannelsen af ​​plasmoner på enkeltmolekylniveau.

Forskerne mener, at dette fænomen ikke udelukkende er begrænset til iridiumkomplekset, men bør også gælde for andre organiske molekyler. Opdagelsen vil have en betydelig indvirkning på designet af fremtidige plasmonbaserede enheder, da det baner vej for at kontrollere den elektriske excitation af plasmoniske nanostrukturer ned til, og endda herunder, niveauet af et individuelt molekyle, og kan tillade direkte integration af plasmoniske nanostrukturer i konventionelle elektroniske kredsløb.