Som ett genombrott för framtida optisk-elektroniska hybriddatorer, forskare vid EPFL har utvecklat en ultrasnabb teknik som kan spåra ljus och elektroner när de färdas genom en nanostrukturerad yta.

När ljus kopplas till elektroner på en yta, deras samordnade rörelse kan färdas som en våg som styrs av själva ytgeometrin. Dessa vågor är kända som "ytplasmoner" och kan vara användbara inom telekommunikation och framtida datoranvändning, där data kommer att skickas över processorer med hjälp av ljus istället för el. Förutom att vara mer energieffektiv, dessa processorer skulle kunna miniatyriseras ner till nanoskala för att bygga högupplösta sensorer och nanostora signalbehandlingssystem. Men dessa processorer skulle byggas från att stapla olika lager av avancerade material och, än så länge, vi har inget tillförlitligt sätt att spåra det guidade ljuset när det rör sig över deras gränssnitt. EPFL-forskare har nu gjort exakt det med en ny, ultrasnabb metod. Genombrottet publiceras idag i Naturkommunikation .

Fabrizio Carbones labb vid EPFL ledde projektet för att skapa en liten antennuppsättning som skulle tillåta plasmoner att resa över ett gränssnitt. Arrayen bestod av ett extremt tunt membran av kiselnitrid (50 nm tjockt) täckt med en ännu tunnare film av silver (30 nm tjock). Forskarna "stansade" sedan en serie nanohål genom ytan som skulle fungera som antenner - plasmonens "hotspots".

Forskarna sköt sedan ultrasnabba laserpulser (ljus) på arrayen för att tända antennerna. Med en kontrollerad tidsfördröjning, ultrakorta elektronpulser avfyrades sedan över flerskiktsstacken, att kartlägga de plasmoner som utstrålas av antennerna vid gränsytan mellan silverfilmen och kiselnitridmembranet. Med hjälp av en ultrasnabb teknik som kallas PINEM, som kan "se" ytplasmoner, även när de är bundna till ett begravt gränssnitt, forskarna kunde faktiskt filma utbredningen av det guidade ljuset och läsa dess rumsliga profil över filmen.

"Att försöka se plasmoner i dessa gränssnitt mellan lager är lite som att försöka filma människor i ett hus från utsidan, " förklarar Fabrizio Carbone. "En vanlig kamera visar dig ingenting; men om du använder mikrovågsugn eller liknande energispårande bild, du kan se rakt igenom väggarna."

Det aktuella dokumentet banar väg för att designa och kontrollera begränsade plasmoniska fält i flerskiktsstrukturer, vilket är nyckeln för framtida optoelektroniska enheter.