Kvanteeffekter i metalliske strukturer i nanometerskala

Plasmoniske enheder kombinerer optikkens 'superhastighed' med mikroelektronikkens 'super lille'. Disse enheder udviser kvanteeffekter og viser lovende som mulige ultrahurtige kredsløbselementer, men den nuværende materialebehandling begrænser dette potentiale. Nu, et hold af Singapore-baserede forskere har brugt en ny fysisk proces, kendt som kvanteplasmonisk tunneling, at demonstrere muligheden for praktiske kvanteplasmoniske anordninger.

Tunneling er et spændende aspekt af kvantemekanikken, hvor en partikel er i stand til at passere gennem en klassisk uoverstigelig barriere. Teoretisk set, kvanteplasmonisk tunneling er kun mærkbar, når plasmoniske komponenter er meget tæt placeret - inden for en halv nanometer eller mindre. Imidlertid, forskere fra A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, A*STAR Institute of High Performance Computing og National University of Singapore var i stand til at observere kvanteeffekter mellem materialer med mere end en nanometers afstand.

De undersøgte tunneleringen af ​​elektroner på tværs af et mellemrum mellem to terninger af sølv på nanoskala belagt med et monolag af molekyler. Transmissionselektronmikroskopi med høj opløsning viste, at disse nanokuber samlede sig selv i par. Adskillelsen, og deraf tunnelafstanden, mellem nanopartiklerne kunne styres ved valget af overflademolekyle - mellem 0,5 og 1,3 nanometer i de testede tilfælde.

Monolaget af molekyler havde en anden funktion - at give molekylær elektronisk kontrol over frekvensen af ​​den oscillerende tunnelstrøm, som kunne indstilles mellem 140 og 245 terahertz (1 terahertz =1012 hertz), som det blev vist ved monokromateret elektronenergitabsspektroskopi.

Teoretiske forudsigelser, understøttet af eksperimentelle resultater, bekræftede arten af ​​de plasmonstøttede tunnelstrømme mellem sølvterningerne. "Vi viser, at det er muligt at skinne lys på et lille system af to tætsiddende sølvterninger (se billede) og generere en tunnelstrøm, der svinger meget hurtigt mellem disse sølvelektroder, " forklarer A*STAR-forsker Michel Bosman. "Oscillationen er flere størrelsesordener hurtigere end typiske klokhastigheder i mikroprocessorer, som i øjeblikket opererer i gigahertz (=109 hertz) regime." Samtidig, resultaterne viser også muligheden for terahertz molekylær elektronik.

To faktorer bidrog til eksperimenternes succes. Først, nanokuberne havde atomare flade overflader, maksimering af tunneloverfladearealet mellem de to nanopartikler. Sekund, det molekylefyldte hul øgede hastigheden af ​​tunnelering, gør det muligt at måle plasmonassisteret kvantetunneling.

"Vi vil nu bruge forskellige molekyler i tunnelgabet for at finde ud af, hvor langt tunnelstrømmene kan føres, og i hvilket område vi kan indstille oscillationsfrekvensen, siger Bosman.