Plasmoniska enheter kombinerar optikens "superhastighet" med mikroelektronikens "superlilla". Dessa enheter uppvisar kvanteffekter och visar lovande som möjliga ultrasnabba kretselement, men nuvarande materialbearbetning begränsar denna potential. Nu, ett team av Singapore-baserade forskare har använt en ny fysisk process, känd som kvantplasmonisk tunnling, att demonstrera möjligheten till praktiska kvantplasmoniska anordningar.

Tunnling är en spännande aspekt av kvantmekaniken där en partikel kan passera genom en klassiskt oöverstiglig barriär. Teoretiskt sett, kvantplasmonisk tunnling märks bara när plasmoniska komponenter är mycket tätt placerade – inom en halv nanometer eller mindre. Dock, forskare från A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, A*STAR Institute of High Performance Computing och National University of Singapore kunde observera kvanteffekter mellan material på mer än en nanometers avstånd.

De undersökte tunnling av elektroner över ett gap mellan två nanoskala kuber av silver belagda med ett monolager av molekyler. Högupplöst transmissionselektronmikroskopi visade att dessa nanokuber självmonterade i par. Separationen, och därav tunnelavståndet, mellan nanopartiklarna kunde styras genom valet av ytmolekyl – mellan 0,5 och 1,3 nanometer i de testade fallen.

Monoskiktet av molekyler hade en annan funktion - att tillhandahålla molekylär elektronisk kontroll över frekvensen av den oscillerande tunnelströmmen, som kan ställas in mellan 140 och 245 terahertz (1 terahertz =1012 hertz), som visades genom monokromaterad elektronenergiförlustspektroskopi.

Teoretiska förutsägelser, med stöd av experimentella resultat, bekräftade arten av de plasmonassisterade tunnelströmmarna mellan silverkuberna. "Vi visar att det är möjligt att skina ljus på ett litet system av två tätt placerade silverkuber (se bild) och generera en tunnelström som svänger mycket snabbt mellan dessa silverelektroder, " förklarar A*STAR-forskaren Michel Bosman. "Oscillationen är flera storleksordningar snabbare än typiska klockhastigheter i mikroprocessorer, som för närvarande verkar i gigahertz (=109 hertz) regimen." Samtidigt, resultaten visar också möjligheten av terahertz molekylär elektronik.

Två faktorer bidrog till experimentens framgång. Först, nanokuberna hade atomärt plana ytor, maximera tunnelytan mellan de två nanopartiklarna. Andra, det molekylfyllda gapet ökade hastigheten för tunnling, gör det möjligt att mäta plasmonassisterad kvanttunnel.

"Vi kommer nu att använda olika molekyler i tunnelgapet för att ta reda på hur långt tunnelströmmarna kan föras, och inom vilket område vi kan ställa in oscillationsfrekvensen, säger Bosman.