Ett forskarlag från National University of Singapore har nyligen uppfunnit en ny "omvandlare" som kan utnyttja hastigheten och den lilla storleken hos plasmoner för högfrekvent databearbetning och överföring i nanoelektronik.

Framsteg inom nanoelektronik, som är användningen av nanoteknik i elektroniska komponenter, har drivits av det ständigt ökande behovet av att krympa storleken på elektroniska enheter i ett försök att producera mindre, snabbare och smartare prylar som datorer, minneslagringsenheter, displayer och medicinska diagnostiska verktyg.

Medan de flesta avancerade elektroniska enheter drivs av fotonik – vilket innebär användning av fotoner för att överföra information – är fotoniska element vanligtvis stora i storlek och detta begränsar avsevärt deras användning i många avancerade nanoelektroniksystem.

Plasmoner, som är vågor av elektroner som rör sig längs ytan av en metall efter att den träffats av fotoner, har ett stort löfte för störande teknologier inom nanoelektronik. De är jämförbara med fotoner när det gäller hastighet (de färdas också med ljusets hastighet), och de är mycket mindre. Denna unika egenskap hos plasmoner gör dem idealiska för integration med nanoelektronik. Dock, tidigare försök att utnyttja plasmoner som informationsbärare hade liten framgång.

Att ta itu med denna tekniska klyfta, ett forskarlag från National University of Singapore (NUS) har nyligen uppfunnit en ny "omvandlare" som kan utnyttja hastigheten och den lilla storleken hos plasmoner för högfrekvent databearbetning och överföring i nanoelektronik.

"Denna innovativa givare kan direkt omvandla elektriska signaler till plasmoniska signaler, och vice versa, i ett enda steg. Genom att överbrygga plasmonik och elektronik i nanoskala, vi kan potentiellt få chips att köra snabbare och minska strömförlusterna. Vår plasmonisk-elektroniska givare är cirka 10, 000 gånger mindre än optiska element. Vi tror att det lätt kan integreras i befintlig teknik och potentiellt kan användas i ett brett spektrum av applikationer i framtiden, " förklarade docent Christian Nijhuis från institutionen för kemi vid NUS naturvetenskapliga fakulteten, som är ledare för forskargruppen bakom detta genombrott.

Denna nya upptäckt rapporterades först i tidskriften Naturfotonik den 29 september 2017.

Från elektricitet till plasmoner i ett enda steg

I de flesta tekniker inom plasmonik, plasmoner exciteras i två steg – elektroner används för att generera ljus, som i sin tur används för att excitera plasmoner. För att omvandla elektriska signaler till plasmoniska signaler, och vice versa, i ett enda steg, NUS-teamet använde en process som kallas tunnling, där elektroner går från en elektrod till en annan elektrod, och genom att göra det, excitera plasmoner.

"Tvåstegsprocessen är tidskrävande och ineffektiv. Vår teknik sticker ut eftersom vi tillhandahåller en enda lösning för omvandling av elektriska signaler till plasmoniska signaler. Detta kan uppnås utan en ljuskälla, som kräver flera steg och stora optiska element, komplicerar integration med nanoelektronik. Baserat på våra laboratorieexperiment, omvandlingen av elektron till plasmon har en effektivitet på mer än 10 procent, mer än 1, 000 gånger högre än tidigare rapporterat, " tillade Assoc Prof Nijhuis, som också är från NUS Center for Advanced 2-D Materials och NUS Nanoscience and Nanotechnology Institute.

Detta banbrytande arbete utfördes i samarbete med Dr Chu Hong Son från Institute of High Performance Computing under Agency for Science, Teknik och forskning.

Forskarna planerar att genomföra ytterligare studier för att minska storleken på enheten så att den kan fungera vid mycket högre frekvenser. Teamet arbetar också med att integrera givarna med mer effektiva plasmoniska vågledare för bättre prestanda.