Undersøgelse viser, at optisk excitation af varme bærere muliggør ultrahurtig dynamisk kontrol af plasmoner i nanoskala

Fotonisk databehandling, lagring og kommunikation er grundlaget for fremtidige fotoniske chips og helt optiske neurale netværk. Plasmoner i nanoskala spiller med deres ultrahurtige responshastighed og ultralille tilstandsvolumen en vigtig rolle i integrationen af ​​fotoniske chips. Men på grund af begrænsningerne af materialer og grundlæggende principper i mange tidligere systemer er de ofte inkompatible med eksisterende optoelektronik, og deres stabilitet og funktion er stærkt kompromitteret.

En nylig rapport i National Science Review beskriver forskning i den dynamiske og reversible optiske modulering af overfladeplasmoner baseret på transport af varme bærere. Denne forskning kombinerer højhastighedsresponsen fra metal nanoplasmoner med optoelektronisk modulering af halvledere.

Ved optisk at excitere de varme elektroner, modulerer den ladningstætheden i guld og ledningsevnen af ​​nanogaperne, hvilket i sidste ende gør reversibel og ultrahurtig omskiftning af plasmonresonanserne. Det giver således en vigtig prototype til optoelektroniske kontakter i nanofotoniske chips.

Denne forskning blev ledet af professor Ding Taos forskningsgruppe ved Wuhan University i samarbejde med professor Hongxing Xu, lektor Li Zhou og forskningsprofessor Ti Wang samt professor Ququan Wang fra Southern University of Science and Technology.

Forskerholdet forberedte først Au@Cu_2-x S kerne-skal nanopartikler og karakteriserede deres mikrostruktur. De eksperimentelle resultater viste, at sol-gel-metoden kan give Au@Cu_2-x S kerne-skal nanopartikler med forskellige skaltykkelser, der giver en ideel bærer til at realisere ultrahurtig dynamisk kontrol af nanoskala plasmoner. Au@Cu_2-x S nanopartikler på forskellige substrater kan opnå ultrahurtig dynamisk kontrol af plasmoner.

Under laserbestråling vil den plasmoniske resonanstop af Au@Cu_2-x S nanopartikler på SiO₂ /Si-substrat udviser et rødt skift, mens den plasmoniske resonanstop af Au@Cu_2-x S nanopartikler på Au-substratet udviser et blåt skift. Når laseren slukkes, vender resonanstoppene tilbage til deres udgangspositioner. Alle de optoelektroniske tuning-processer har vist reversibilitet, kontrollerbarhed og relativt høje responshastigheder.

Transient absorption (TA) spektre og teoretiske beregninger indikerer, at den optiske excitation af Au@Cu_2-x S plasmonisk sammensat struktur kan få de varme elektroner i Au til at overføre til Cu_2-x S, hvilket fører til et fald i elektrontætheden af ​​Au og et rødt skift af den lokaliserede overfladeplasmonresonans (LSPR).

I modsætning hertil, når Au@Cu_2-x S er placeret på et Au-substrat (NPoM-struktur), de varme elektroner kan transporteres gennem Cu_2-x S-laget til Au-substratet, hvilket øger nanogapens ledningsevne og forårsager et blåt skift af de koblede plasmonpolaritoner. Denne plasmoniske kontrolstrategi baseret på hot carrier-transport er særligt velegnet til integration af optoelektroniske enheder, der giver enhedsprototyper til fotonisk databehandling og sammenkobling.

Flere oplysninger: Jiacheng Yao et al., Optoelektronisk tuning af plasmonresonanser via optisk modulerede varme elektroner, National Science Review (2023). DOI:10.1093/nsr/nwad280

Leveret af Science China Press