Plasmonik:Revolutionerende lysbaserede teknologier via elektronoscillationer i metaller

I århundreder, kunstnere blandede sølv- og guldpulver med glas for at fremstille farverige vinduer til at dekorere bygninger. Resultaterne var imponerende, men de havde ikke en videnskabelig grund til, hvordan disse ingredienser sammen lavede farvet glas. I begyndelsen af ​​det 20. århundrede, fysikeren Gustav Mie regnede ud, at farven på en metalnanopartikel er relateret til dens størrelse og de optiske egenskaber af metallet og tilstødende materialer.

Forskere har først for nylig fundet ud af den manglende brik i dette puslespil. Middelalderens glasarbejdere ville blive overrasket over at finde ud af, at de udnyttede det, forskere i dag kalder plasmonik:et nyt felt baseret på elektronsvingninger kaldet plasmoner.

Koncentrerende lys

Plasmonics demonstrerer, hvordan lys kan ledes langs metaloverflader eller inden for nanometertykke metalfilm. Det fungerer sådan:på atomniveau, metalkrystaller har en meget organiseret gitterstruktur. Gitteret indeholder frie elektroner, ikke tæt forbundet med metalatomerne, der interagerer med det lys, der rammer dem.

Disse frie elektroner begynder kollektivt at oscillere i forhold til den faste position af positivt ladede kerner i metalgitteret. Ligesom tætheden af ​​luftmolekyler i en lydbølge, elektrontætheden svinger i metalgitteret som en plasmonbølge.

Synligt lys, som har en bølgelængde på cirka en halv mikrometer, kan således koncentreres med en faktor på næsten 100 til at rejse gennem metalfilm på kun få nanometer (nm) tyk. Det er 1, 000 gange mindre end et menneskehår. Den nye blandede lys-elektron-bølge-tilstand muliggør intense lys-stof-interaktioner med hidtil usete optiske egenskaber.

Hvad kan plasmonics gøre?

Plasmonics kunne revolutionere den måde, computere eller smartphones overfører data på i deres elektroniske integrerede kredsløb. Dataoverførsel i nuværende elektroniske integrerede kredsløb sker via strømmen af ​​elektroner i metaltråde. I plasmonik, det skyldes oscillerende bevægelse omkring de positive kerner. Dataoverførsel er derfor mere tidskrævende i den gamle teknologi. Da plasmonisk dataoverførsel sker med lyslignende bølger og ikke med en strøm af elektroner (elektrisk strøm) som i konventionelle metaltråde, dataoverførslen ville være superhurtig (tæt på lysets hastighed) - svarende til nuværende glasfiberteknologier. Men plasmoniske metalfilm er mere end 100 gange tyndere end glasfibre. Dette kan føre til hurtigere, tyndere og lettere informationsteknologier.

Overfladeplasmoner er også usædvanligt følsomme over for ethvert materiale ved siden af ​​metalfilmen. En lav koncentration af atomer, molekyler eller bakterier bundet til metaloverfladen kan ændre egenskaben af ​​dens plasmoner. Denne funktion kan bruges til biologisk og kemisk sensing ved ekstremt lave koncentrationer – f.eks. at undersøge forurenet vand.

Hvis den er korrekt designet, flerlag af plasmonisk metal/isolator nanostrukturer danner kunstige metamaterialer, hvor det græske ord "meta" betyder "ud over". I modsætning til alt andet materiale i naturen, disse metamaterialer har et negativt brydningsindeks. Det er et mål for, hvor meget lys ændrer sin retning, når det kommer ind i en gennemsigtig isolator. Isolatorer, herunder glas, have et positivt brydningsindeks; de bøjer lys, der kommer ind i en bestemt vinkel tættere på vinkelret på isolatoroverfladen.

I modsætning, flerlagede metamaterialer bøjer lyset til den "modsatte" retning. Denne fascinerende egenskab kan bruges til at dække genstande ved at dække dem med en metamateriale-indpakning. Folien leder lyset jævnt rundt om objektet i stedet for at reflektere det. Næsten utroligt, den tilslørede genstand bliver usynlig.

Andre applikationer omfatter optiske superlinser med væsentligt højere opløsning sammenlignet med almindelige optiske mikroskoper. De kunne tillade videnskabsmænd at se objekter så små som omkring 100 nm i størrelse. Det er omkring en tiendedel så stort som en typisk bakterie.

Der findes nogle få principielle optiske kapper og superlinser. But high resistivity losses in the metal layers which convert the light-electron-wave energy into heat currently limit the feasibility of many applications.

Manufacturing plasmonic nanowires

High resistivity losses are the major issue with plasmonics. For at overvinde disse begrænsninger, we design and fabricate unique plasmonic metal/organic/semiconductor nanowire heterostructures. Our goal is to excite the semiconductor nanowires with an external light source, then use the internal radiation in the nanowires as an energy-pump source to compensate for metallic losses. Denne måde, the nanowires couple light energy in concert with the light-electron-oscillations to the metal film, thus restoring the amplitude of the damped plasmon wave.

We use the organic molecular beam deposition (OMBD) method to coat the semiconductor nanowires with metal/organic multilayers. In the OMBD chamber, organic and metal materials reside in heatable cylindrical cells. We evaporate both organic molecules and metal atoms in heated cells at ultra-high vacuum (which is hundreds of billion times lower than atmosphere pressure). Then we direct the molecular and atom beams we have produced toward the semiconductor nanowire sample. The thickness of the resulting deposited film on the nanowire is controlled by mechanical shutters at the cell openings.

The energy-transfer processes from the optically excited semiconductor nanowire to the plasmon oscillations in the surrounding metal film are studied with ultrafast spectroscopic techniques.

Results from our studies will provide a new understanding of light-electron-waves in the novel and unique metal-semiconductor environment. Forhåbentlig, we will open new prospects for designing low-loss or loss-free plasmonic devices. Ideally we want to enable new and important applications in information technologies, biological sensing and national defense. We further envision our investigations having a strong impact in other research fields:for instance, by utilizing the biocompatibility of our hybrid organic/metal structures, by enhancing the light emission in light-emitting diodes and laser structures or by improving light harvesting in photovoltaic devices.

This story is published courtesy of The Conversation (under Creative Commons-Attribution/No derivatives).