Fotonisk beräkning, lagring och kommunikation är grunden för framtida fotoniska chips och helt optiska neurala nätverk. Plasmoner i nanoskala, med sin ultrasnabba svarshastighet och ultrasmå modvolym, spelar en viktig roll i integrationen av fotoniska chips. Men på grund av begränsningarna hos material och grundläggande principer i många tidigare system är de ofta inkompatibla med befintlig optoelektronik, och deras stabilitet och funktion äventyras avsevärt.
En färsk rapport i National Science Review beskriver forskning om dynamisk och reversibel optisk modulering av ytplasmoner baserad på transport av heta bärare. Den här forskningen kombinerar höghastighetssvaret hos metallnanoplasmoner med optoelektronisk modulering av halvledare.
Genom att excitera de heta elektronerna optiskt, modulerar den laddningstätheten i guld och konduktiviteten hos nanogaperna, vilket i slutändan gör reversibel och ultrasnabb omkoppling av plasmonresonanserna. Således tillhandahåller den en viktig prototyp för optoelektroniska omkopplare i nanofotoniska chips.
Denna forskning leddes av forskargruppen professor Ding Tao vid Wuhan University, i samarbete med professor Hongxing Xu, docent Li Zhou och forskningsprofessor Ti Wang, samt professor Ququan Wang från Southern University of Science and Technology.
Forskargruppen förberedde först Au@Cu2-x S kärna-skal nanopartiklar och karakteriserade deras mikrostruktur. De experimentella resultaten visade att sol-gel-metoden kan ge Au@Cu2-x S kärn-skal nanopartiklar med olika skaltjocklekar, vilket ger en idealisk bärare för att realisera ultrasnabb dynamisk kontroll av plasmoner i nanoskala. Au@Cu2-x S nanopartiklar på olika substrat kan uppnå ultrasnabb dynamisk kontroll av plasmoner.
Under laserbestrålning, den plasmoniska resonanstoppen för Au@Cu2-x S nanopartiklar på SiO2 /Si-substratet uppvisar ett rött skift, medan plasmonisk resonanstoppen för Au@Cu2-x S nanopartiklar på Au-substratet uppvisar ett blått skifte. När lasern stängs av återgår resonanstopparna till sina initiala positioner. Alla optoelektroniska avstämningsprocesser har visat reversibilitet, kontrollerbarhet och relativt snabba svarshastigheter.
Transient absorptionsspektra (TA) och teoretiska beräkningar indikerar att den optiska exciteringen av Au@Cu2-x S plasmonisk kompositstruktur kan få de heta elektronerna i Au att överföras till Cu2-x S, vilket leder till en minskning av elektrondensiteten hos Au och en röd förskjutning av den lokaliserade ytplasmonresonansen (LSPR).
Däremot när Au@Cu2-x S placeras på ett Au-substrat (NPoM-struktur), de heta elektronerna kan transporteras genom Cu2-x S-skiktet till Au-substratet, vilket ökar konduktiviteten hos nanogapen och orsakar en blå förskjutning av de kopplade plasmonpolaritonerna. Denna plasmoniska styrstrategi baserad på transport av heta bärare är särskilt lämplig för integrering av optoelektroniska enheter, vilket ger enhetsprototyper för fotonisk beräkning och sammankoppling.
Mer information: Jiacheng Yao et al, Optoelektronisk avstämning av plasmonresonanser via optiskt modulerade heta elektroner, National Science Review (2023). DOI:10.1093/nsr/nwad280
Tillhandahålls av Science China Press
