Naujos dalelės, pavadintos hibridiniu plazmoniniu poliaritonu, sukūrimas gali atverti duris naujoms fotoninėms grandinėms bei optiniams skaičiavimams. Mokslininkai iš Lorenco Berklio nacionalinės laboratorijos JAV energijos departamento pademonstravo pirmąjį tikrą nanomatmenų bangolaidį, kuris galėtų būti naudojamas naujos kartos lustinėse optinio komunikavimo sistemose.
Naujos dalelės, pavadintos hibridiniu plazmoniniu poliaritonu, sukūrimas gali atverti duris naujoms fotoninėms grandinėms bei optiniams skaičiavimams. Mokslininkai iš Lorenco Berklio nacionalinės laboratorijos (Lawrence Berkeley National Laboratory) JAV energijos departamento (U.S. Department of Energy) pademonstravo pirmąjį tikrą nanomatmenų bangolaidį, kuris galėtų būti naudojamas naujos kartos lustinėse optinio komunikavimo sistemose.
„Mes tiesiogiai parodėme matomos ir artimosios infraraudonosios srities šviesos judėjimą nanomatmenų bangolaidyje, kuris veikia metalo dielektriko ir puslaidininkio įrenginyje. Gauti labai maži nuostoliai bei veikimas plačiame spektriniame intervale, – pasakė Ksiangas Žangas (Xiang Zhang), kuris yra tyrimų grupės vadovas. – Mūsų naujoviškas nanomatmenų bangolaidžio dizainas pasižymi dideliu pritaikymo potencialu fotoniniuose įrenginiuose, pavyzdžiui, optinei komunikacijai lusto viduje, signalo moduliacijai, nanomatmenų lazeriuose ir biomedicininiuose jutikliuose.“
Žangas, kuris taip pat dirba Berklio laboratorijos Medžiagų mokslo skyriuje (Materials Sciences Division) bei yra Kaliforinijos universiteto (University of California) Berklio laboratorijos Nanomatmenų mokslo ir inžinerijos centro (Nano-scale Science and Engineering Center) direktorius, yra ir straipsnio, atspausdinto „Nature Communications“ žurnale, autorius susirašinėjimams.
Bangolaidyje jie sukūrė naują dalelę ir davė jai pavadinimą – hibridinis plazmoninis poliaritonas. Straipsnyje Žangas su kolegomis aprašo hibridinio plazmoninio poliaritono panaudojimą nanomatmenų bangolaidžio sistemoje. Bangolaidis nukreipia šviesos bangas išilgai metalo ir dielektriko nanostruktūros skiriamojo paviršiaus. Atstumas, kuriuo perduodama šviesa, yra pakankamas, kad bangolaidis būtų pritaikytas optiniam komunikavimo signalui perduoti fotoniniuose įrenginiuose. Pasiekto rezultato esmė yra plono dielektriko sluoksnio tarp metalo ir puslaidininkio juostų įterpimas.
„Naudodami artimo lauko skenavimo optinį mikroskopą (Near-field scanning optical microscopy), mes stebėjome optinės šviesos modas, kurių dydis siekia 50 x 60 kvadratinių nanometrų, – pasakė Volkeris Sordžeris (Volker Sorger), Žango grupėje dirbantis studentas. – Sklidimo atstumas buvo dešimt kartų didesnis už matomos šviesos bangos ilgį vakuume ir dvidešimt kartų didesnis už artimosios infraraudonosios šviesos bangos ilgį.“
Aukštų technologijų pasaulis nekantriai laukia kada bus pradėtos naudoti elektroninės grandinės mikroprocesoriuose bei kituose įrenginiuose, kuriuose informaciją perduotų šviesa arba kitos formos elektromagnetinės bangos. Fotoninė technologija arba fotonika, žada būti labai greita ir jautri lyginant su elektronine technologija, kurioje informacijos perdavimas patikėtas elektronams.
„Norint patenkinti vis augantį duomenų kiekio perdavimo poreikį bei gauti mažesnes energijos sąnaudas, susijusias su duomenų saugojimu bei perdavimu, mums reikia sumažinti energijos sąnaudas, reikalingas kiekvieno informacijos bito sukūrimui, perdavimui ir nuskaitymui, – paaiškino Sordžeris. – Tam reikia mažinti fizinius fotoninių komponentų matmenis iki šviesos difrakcijos ribos, kartu neprarandant jų funkcionalumo.“
Iki šiol fotoninių prietaisų dydis ir darbas buvo ribojamas interferencijos, kuri atsiranda tarp labai arti erdvėje esančių šviesos bangų. Difrakcijos riba pasireiškia kaip silpna fotonų ir elektronų sąveika, kurią galima apeiti tik naudojant įrenginius, didesnius už dabartines elektronines grandines.
Proveržis buvo pasiektas tik išsiaiškinus, kad galima surišti fotonus su elektronais suspaudžiant šviesos bangas į skiriamąjį paviršių tarp metalo ir dielektriko. Skiriamasis paviršius suformuojamas nanostruktūroje, kurios matmenys yra mažesni nei krentančio fotono pusė bangos ilgio vakuume. Nukreipiant šviesos bangas išilgai metalo nanostruktūros, generuojamos elektronų paviršinės bangos, vadinamos plazmonais. Plazmonai sklinda metalo laidumo elektronais, kurie silpnai surišti su molekulėmis ir atomais. Atsirandanti sąveika tarp fotonų ir plazmonų sukuria kvazidaleles, vadinamas paviršinių plazmonų poliaritonais, kurios gali būti panaudotos informacijos pernešimui. Buvo daug tikimasi iš paviršinių plazmoninių poliaritonų, kadangi jų bangos ilgis gali būti sumažintas labiau nei nustatyta difrakcijos riba. Tačiau atsiranda kita problema, susijusi su šviesos signalo stiprumo mažėjimu, kai šviesa juda skiriamajame metalo ir dielektriko paviršiuje.
„Iki dabar nebuvo tiesiogiai eksperimentiškai pademonstruotas neprarandantis galios labai mažų bangos ilgių šviesos sklidimas, nes gaunami labai dideli optinės modos nuostoliai. Optinės modos nuostoliai stumia elektromagnetinę bangą į metalą, – pasakė Žangas. – Dėl šios konkurencijos tarp optinio išlaikymo ir metališkų nuostolių plazmonų panaudojimas integruotuose fotoniniuose prietaisuose, o ypač optiniuose sujungimuose, buvo neaiškus.“
Norėdami išspręsti šią problemą, susijusią su optinio signalo silpnėjimu, Žangas su grupe pasiūlė hibridinio plazmoninio poliaritono idėją. Puslaidininkinės medžiagos juostelė uždedama ant metalo paviršiaus. Tokiu būdu metalas ir puslaidininkis yra atskirti plonu oksido sluoksniu. Naujasis metalo, oksido ir puslaidininkio dizainas perskirsto įeinančios šviesos energiją. Dalis šviesos bangos energijos yra sukoncentruota mažame dielektriko tarpe. Dielektrike optiniai nuostoliai yra žymiai mažesni nei plazmoniniame metale.
„Naujasis dizainas leido sukurti hibridinius plazmoninius poliaritonus, kurie yra fotoninių ir plazmoninių modų hibridai. Naujosios dalelės pasižymi abiejų sistemų geriausiomis savybėmis ir leidžia sukurti didelį išlaikymą su mažais signalo nuostoliais, – pasakė Ziliangas Ye, kuris yra Žango grupėje dirbantis studentas. – Hibridinių plazmoninių poliaritonų moda svarbi mažinant fizikinių prietaisų dydį. Ji taip pat svarbi įvaldant naujus fizikinius efektus įrenginių lygmenyje. Tai atveria kelius nanolazerių kūrimui bei kvantinei optikai.“
Hibridinių plazmoninių poliaritonų bangolaidžio sistema yra pilnai suderinama su dabartinėmis puslaidininkių apdorojimo technologijomis. Tai turėtų leisti lengviau įdiegti technologiją į esamą sistemą. Sordžeris tiki, kad pirmieji prototipai, veikiantys šios technologijos pagrindu, galėtų pasirodyti per artimiausius du metus, o pirmieji produktai pasirodys rinkoje maždaug po penkių metų.
„Jau dabar kuriame demonstracines pilnai optinio tranzistoriaus bei elektro optinio moduliatoriaus versijas, veikiančias hibridinių plazmoninių poliaritonų bangolaidžio sistemos pagrindu, – tęsė Sordžeris. – Mes dabar ieškome biomedicininių pritaikymo galimybių, pavyzdžiui, gaminti molekulinius jutiklius.“
Paveikslėlyje parodytas hibridinių plazmoninių poliaritonų bangolaidis, kurį sudaro puslaidininkinės medžiagos juostelė, atskirta nuo metalo paviršiaus mažu dielektriko sluoksniu. Schematiškai pavaizduota bangolaidžio reakcija, kai metalo sluoksnis bangolaidžio gale yra apšviečiamas.
