Pastovus šiuolaikinės elektronikos greičio ir galingumo tobulėjimas gali gretai baigtis, jei nebus rasti nauji keliai, kaip sutalpinti daugiau struktūrinių elementų į mikroskopines dalis. Deja, jau šiuo metu inžinieriai pradeda pasiekti šviesos, kuri naudojama kuriant elektronikos elementus, apibrėžtą ribą. Tačiau, matyt, yra kitas kelias, kuris galbūt leistų peržengti taip vadinamą „difrakcijos ribą“ – tai paviršinių plazmonų panaudojimas.
Pastovus šiuolaikinės elektronikos greičio ir galingumo tobulėjimas gali gretai baigtis, jei nebus rasti nauji keliai, kaip sutalpinti daugiau struktūrinių elementų į mikroskopines dalis. Deja, jau šiuo metu inžinieriai pradeda pasiekti šviesos, kuri naudojama kuriant elektronikos elementus, apibrėžtą ribą. Tačiau, matyt, yra kitas kelias, kuris galbūt leistų peržengti taip vadinamą „difrakcijos ribą“ – tai paviršinių plazmonų panaudojimas.
Šis metodas, aprašytas „Optics Letters“ žurnale, atveria naujas galimybes kuriant mažesnes ir greitesnes komunikacijos sistemas ir optoelektroninius prietaisus. Optoelektroninių prietaisų, naudojamų šiomis dienomis, pavyzdžiais gali būti fotodiodai, naudojami saulės elementuose, integruotos optinės grandinės, sutinkamos ryšiuose. Jie naudojami mobiliuosiuose telefonuose, tiksliau jų kamerose, pačiuose pažangiausiuose pasaulio teleskopų imtuvuose. Sukurtas metodas galėtų būti pritaikytas vykdant chemijos, biologijos ir medicinos tyrimus.
Inovacijos esmė – tai pirmą kartą sukurta galimybė aktyviai valdyti susimaišiusį šviesos ir plazmos srautą, vadinamą plazmoniniu oro spinduliu. Spindulys, paklūstantis elektromagnetizmo dėsniams, keliauja ne tiesia linija, kaip mes esame įpratę galvoti apie šviesos spindulį, tačiau lanku. „Iš pimo žvilgsnio, tai yra keistas dalykas, nes šviesa juda tiesia linija, – paaiškino tyrėjų grupės narys Pengas Žangas (Peng Zhang). – Tai yra viena iš priežasčių, kodėl žmonės eina iš proto dėl šių įdomiomis savybėmis pasižyminčių spindulių.“
Paveikslėlyje parodyta, kaip sužadinami ir dinamiškai kontroliuojami plazmoniniai oro spinduliai aukso plėvelės paviršiuje. Naudojama gardelė yra parodyta a) išnašoje. Plazmoninis oro spindulys (parodydas b) išnašoje), generuojamas erdvinio šviesos moduliatoriaus, yra susijęs su paviršiaus plazmoniniais poliaritonais, kurie stebimi mikroskopu. Spindulio valdymas pasiekiamas stebint specialiai moduliatoriuje sukurtus šablonų vaizdus.
Kai spindulys pirmą kartą pasiekia metalo paviršių (paprastai netaisyklingos formos, vadinamą gardeline struktūra), jis sukelia elektronų bangas metalo ir dielektriko sandūroje. Šios bangos, kurias galima nagrinėti kaip virtualias daleles, yra žinomos paviršinių plazmonų poliaritonų pavadinimu. Jos juda iškreipta plazmoninio oro spindulio trajektorija. Panašiai kaip vandenyno bangos judina objektus vandens paviršiuje, taip paviršinių plazmonų poliaritonai gali būti panaudoti metalo paviršiaus savybių valdymui.
Paviršinių plazmonų poliaritonai yra pagrindiniai elementai kuriant bei gaminant optoelektroninius prietaisus. Pagrindinė priežastis, kodėl jie tokie svarbūs, yra susijusi su jų galimybe paveikti įpatingo mažumo objektus, net mažesnius nei apibrėžia difrakcijos riba, tai yra pusė šviesos, kuri sukuria poliaritonus, bangos ilgio.
Tačiau dabartinės sistemos turi didelį trūkumą, kurį reikėjo ištaisyti – reikalinga pastovi nanostruktūra, kuri nukreiptų poliaritonus pageidaujama kryptimi. Toks apribojimas trukdė jų panaudojimą kuriant bei gaminant nanosistemas. Tačiau galėdami valdyti plazmoninį oro spindulį, o tuo pačiu ir paviršinių plazmonų poliaritonus, naujasis pasiūlytas dizainas leidžia valdymą atlikti realiame laike.
„Pademonstravome naują metodą, kuris leidžia valdyti paviršinių plazmonų trajektoriją nenaudojant jokių kreipiančiųjų struktūrų“, – pasakė tyrimų grupės vadovas Ksiangas Žangas (Xiang Zhang). Jo nuomone, kreipiančiosios struktūros nebuvimas yra esminis inovacijos elementas jų pasiūlytame dizaine. Šiuo metu paviršinių plazmonų, sklindančių metalų paviršiumi, valdymui reikalingi įvairūs elementai – bangolaidžiai, lęšiai, spindulių dalintuvai bei reflektoriai. Tokie elementai kuriami arba sudarant struktūras metalo paviršiuje (tai yra gaminant pastovias nanostruktūras), arba patalpinant dielektrikus. Problema, kad šios pastovios kreipiančiosios struktūros negali būti perkonfigūruotos – jei tik jos yra pagamintos, jos negali būti keičiamos realiame laike.
Tačiau, naudodama kompiuteriu valdomą optiką, mokslininkų grupė sukūrė būdą kaip nukreipti ir valdyti spindulį, tiksliai valdant jų trajektoriją į pageidaujamus taškus, esančius optiniame paviršiuje. Dėl savo unikalios lanko formos trajektorijos spindulys gali aplenkti paviršiaus nelygumus bei defektus ar net peršokti kliūtis.
Keli plazmoninio oro spindulio valdymo realiame laike pavyzdžiai. Kairė pusė atitinka skaitmeninio skaičiavimo duomenis, dešinė pusė – eksperimentinius matavimus. a) ir b) dalyse parodytas spindulio trajektorijos keitimas, c) – kliūties aplenkimas.
„Ši galimybė valdyti spindulį realiame laike yra ypatingai pageidautina, – paaiškino Žigangas Čenas (Zhigang Chen). – Mes galime turėti perkonfigūruojamus optinius sujungimus ypatingo mažumo integruotose fotoninėse grandinėse, kurios yra daugelio didelio greičio skaičiavimo technologijų pagrindas. Spindulio valdymas realiame laike leidžia vykdyti nanodalelių valdymą, reikalingą cheminiuose, medicininiuose ir biologiniuose tyrimuose.“
Plazmoninis oro spindulys, naudojamas nukreipiant plazmonų judėjimą, taip pat išlieka koherentiniu, jis taip pat neišsiskleidžia ir nesideformuoja plazmonams judant iškreivinta trajektorija. Panašiai kaip ir lazerio spindulys, kuris išlieka koherentiniu net ir nukeliavus didelius atstumus. Kurdami plazmoninį oro spindulį, mokslininkai panaudojo lazerio spindulį bei moduliavo jo fazę, arba bangos frontą, naudodami erdvinį šviesos moduliatorių (prietaisą panašų į mažytį skystų kristalų ekraną), valdomą asmeninio kompiuterio. Tolygiai kompiuteryje keisdami specialiai tam sukurtus šablonus, mokslininkai galėjo vykdyti dinaminę spindulio trajektorijų kontrolę realiame laike.
„Šie rezultatai atveria naujas galimybes dinamiškai valdant paviršiumi sklindančios energijos kelius, ir tam nereikia pastovių kreipiančiųjų struktūrų, – paaiškino Pengas Žangas. – Pasiūlyta galimybė gali įkvėpti įvairių sričių mokslininkus kurti naujas technologijas ar prietaisus įvairiems taikymams.“ Pavyzdžiui, nanofotonikoje mokslininkai galėtų kurti rekonfiguruojamus plazmoninius prietaisus ypatingai mažoms integruotoms fotoninėms grandinėms. Biologijoje ir chemijoje mokslininkai galėtų sukurti naujus įrankius, skirtus dinamiškam nanodalelių ir molekulių valdymui, bei gerinant jutiklių darbą.
„Paviršinių plazmonų banginė prigimtis, kai bangos ilgis yra ypatingai mažas, sudaro sąlygas juos panaudoti kaip įrankį ateities litografijoje, – pabrėžė mokslininkų grupės narys Šengas Vangas (Sheng Wang). – Dabar naudojant dinamiškai valdomą plazmoninį oro spindulį, bus galima gauti įpatingai didelės skiriamosios gebos biovaizdus. Pavyzdžiui, aplenkiant kliūtis ir spindulį nukreipiant tiesiai į nagrinėjamo pavyzdžio vietą, bus galima stipriai sumažinti visą foninį triukšmą, o tai leis gauti žymiai tikslesnius vaizdus.“
„Šis metodas galbūt taip pat padrąsins mokslininkus iš kitų sričių vykdyti paviršinių plazmonų valdymą kitose dvimatėse struktūrose, tame tarpe grafene, topologiniuose dielektrikuose ir magnetinėse plėvelėse“, – pasakė kitas tyrime dalyvavęs mokslininkas Jongminas Liu (Yongmin Liu).
