EPFL-forskare har upptäckt hur optisk signalöverföring kan kontrolleras, banar väg för integrering av plasmonics med konventionella elektroniska kretsar.
När ljus träffar en metall under vissa omständigheter, den genererar en densitetsvåg av elektronerna på dess yta, som att kasta en sten i vattnet. Denna våg kallas en plasmon, och den är liten och snabb, förekommer vid optiska frekvenser. Plasmonik, studiet av plasmoner, har fått ett enormt intresse över hela världen eftersom det kan erbjuda ett sätt att överbrygga elektroniska och optiska kretsar i teknologier som datorer, skapa supersnabba processorer. Dock, Att integrera plasmonics med vanliga elektroniska kretsar kräver förmågan att kontrollera plasmonerna. I en spännande Nanobokstäver offentliggörande, EPFL-forskare som samarbetar med Max Plank Institute har hittat hur plasmoner kan kontrolleras i termer av energi och utrymme.
Optiska fibrer har redan förändrat vårt sätt att kommunicera genom att använda ljus för att överföra digital data och höga bandbredder och över långa avstånd, men kräver relativt skrymmande "trådar" som i huvudsak är fyrlagersrör med reflekterande inredning. Å andra sidan, elektriska ledningar är tunnare och lättare att tillverka, men överför data med en mycket lägre hastighet. Plasmonics har potentialen att överbrygga optik med elektronik och kombinera sina fördelar utan sina nackdelar.
Tanken är enkel:använd ljus för att koda och överföra data vid optiska frekvenser över ytan av en konventionell elektrisk ledning. Ofta kallad "ljus på en tråd", plasmonics har blivit ett snabbt växande område som lovar många spännande nya teknologier. Dessa inkluderar extremt känsliga biosensorer, avsevärt förbättrad telekommunikation och en ny generation datorprocessorer som kan arbeta i ultrasnabba hastigheter. Eftersom plasmoner är vågor av exciterade ytelektroner snarare än rörelse av faktiska partiklar, plasmonisk överföring kan vara storleksordningar snabbare än elektronisk överföring.
Forskare från Max-Planck-EPFL Center for Molecular Nanoscience and Technology har nu fört oss ett steg närmare en era av plasmonik genom att visa att de molekylära orbitalerna på en metalls yta fungerar som små portar som kan kontrollera plasmoner energiskt och spatialt. Det största hindret för att integrera plasmonik i konventionella elektroniska kretsar är att prototypenheter måste nanokonstrueras. Det betyder att de kräver kontrollerbara gränssnitt mellan nanoelektronik och nanooptik. Forskarna fann att lösningen ligger i de enskilda molekylära orbitalerna:matematiska funktioner som beskriver elektronmolnen som bildas när atomer går samman i en molekyl.
Leds av Klaus Kern, teamet använde ett scanning tunneling microscope (STM) för att undersöka iridiumkomplex kylda till en absolut nolltemperatur (5 grader Kelvin). STM-mikroskopi utnyttjar tunnling av elektroner från en metallyta till en mycket vass metallisk spets som kan skannas över metallens yta. På väg till spetsen, några av elektronerna förlorar energi. Denna energi exciterar svängningar (plasmoner) vid metallytan och spetsen och kan sedan observeras genom emission av ljus till en optisk detektor.
Teamets data visade att excitationen av plasmoner aktivt kan kontrolleras av en enda molekyl. Att studera ett iridiumkomplex, de upptäckte att dess molekylära orbitaler – i själva verket de specifika energinivåerna – fungerar som små portar som bestämmer genereringen av plasmoner både energimässigt och rumsligt, även ner till områden som är mindre än själva molekylen. Faktiskt, i molekyler vars elektronstruktur är känd, både energin och platsen för genererade svängningar kan förutsägas, vilket betyder att det nu är möjligt att faktiskt kontrollera genereringen av plasmoner på singelmolekylnivå.
Forskarna tror att detta fenomen inte är begränsat enbart till iridiumkomplexet, men bör även gälla andra organiska molekyler. Upptäckten kommer att ha en betydande inverkan på designen av framtida plasmonbaserade enheter, eftersom det banar väg för att kontrollera den elektriska exciteringen av plasmoniska nanostrukturer ner till, och även under, nivån på en enskild molekyl, och kan tillåta direkt integrering av plasmoniska nanostrukturer i konventionella elektroniska kretsar.
