Specialdesignade extremt små metallstrukturer kan fånga ljus. Väl instängd, ljuset blir en instängd våg känd som en ytplasmon. Plasmonerna fortplantar sig från källan till platser flera hundra mikrometer bort, nästan lika snabbt som ljuset genom luften. Kredit:American Chemical Society
Ljusvågor som fångas på en metalls yta färdas nästan lika snabbt som ljus genom luften, och ny forskning vid Pacific Northwest National Laboratory visar dessa vågor, kallade ytplasmoner, resa tillräckligt långt för att eventuellt vara användbar för ultrasnabba elektroniska kretsar. PNNL-teamet fångade, på video, ytplasmoner som rör sig minst 250 mikron över ytan.
Eftersom kretssammankopplingar baserade på ytplasmoner kan vara mycket snabbare än nuvarande sammankopplingar, denna grundforskning kan leda till snabbare datorkretsar och ge betydande framsteg inom kemikalien, biologisk, och hälsoområden. Också, resultaten ger insikter om dessa fångade ljusvågor till forskarsamhällena. Studien bekräftar experimentellt det linjära förhållandet mellan ingående ljusvågor och genererade ytplasmoner. Det indikerar också att plasmonerna har lång livslängd och låg spridning, kritisk grundläggande information som behövs för att använda vågorna i kretsar och andra applikationer.
När en ytplasmon genereras på en metallyta, det kan observeras genom att använda laserljus för att sända ut elektroner. Genom att detektera dessa fotoelektroner, med ett speciellt instrument som kallas fotoemissionselektronmikroskop (PEEM), forskarna undersökte naturen hos ytplasmoner.
I sina experiment, teamet applicerade två laserpulser på provet:en kallas pumpen, används för att generera ytplasmonen; den andra kallas sonden, används för att detektera plasmonet. Sondpulsen träffar provet och detekterar plasmonet vid olika tidsfördröjningar. Genom att kontinuerligt ställa in tidsfördröjningen mellan pump- och sondpulserna, teamet övervakade plasmonens rörelse på guldytan, fann att vågen färdades upp till 250 mikron på metallytan.
Denna bilden, taget med ett fotoemissionselektronmikroskop, visar den rumsligt separerade pump- och sondpulsen. Kredit:American Chemical Society
"Avståndet är förvånansvärt långt eftersom plasmonvågor inte fortplantar sig som en normal frirymdvåg, " sa Dr Yu Gong, en forskare vid PNNL och huvudförfattaren till denna studie. "I vårat fall, plasmonerna reser oväntat långa sträckor i metallfilmer."
Teamet tillämpade numeriska simuleringar för att ytterligare bekräfta deras experimentella resultat.
Vad kommer härnäst? Nu, teamet undersöker hur man kontrollerar utbredningen av ytplasmonen. Till exempel, hur effektivt kan ytplasmonen genereras? Hur kan den vägledas? Hur kan det stoppas? Forskarna använder PEEM och andra resurser, inklusive de i DOE:s EMSL, att svara på dessa och andra frågor. Resultaten är avgörande för att göra kretsar som arbetar med ljushastighet till verklighet.
