Plazmonika

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 2. května 2021; kontroly vyžadují 4 úpravy .

Plazmonika nebo nanoplasmonika [1] označuje generování, detekci a zpracování signálů na optických frekvencích podél rozhraní kov-dielektrika v rozsahu nanometrů. [2] Stejně jako fotonika sleduje plasmonika trend miniaturizace optických zařízení (viz nanofotonika ) a nachází uplatnění ve snímání, mikroskopii, optické komunikaci a biofotonice . [3]

Principy

Plazmonika obvykle využívá tzv. povrchové plasmonické polaritony (SPP) [2] , což jsou koherentní elektronické oscilace, které se šíří spolu s elektromagnetickou vlnou po rozhraní mezi dielektrikem a kovem. Podmínky pro vznik SPP do značné míry závisí na vlastnostech vodivého média. Zejména, protože elektronový plyn v kovu osciluje spolu s elektromagnetickou vlnou a pohybující se elektrony se rozptylují, dochází v plasmonických signálech k ohmickým ztrátám , což omezuje jejich přenosovou vzdálenost [4] . To neplatí pro hybridní optoplasmonická vlákna [5] [6] [7] nebo plasmonické sítě s amplifikací [8] . Kromě SPP existují lokalizované režimy povrchových plasmonů podporované kovovými nanočásticemi . Oba efekty se vyznačují velkými momenty, které umožňují silný rezonanční nárůst lokální fotonové hustoty stavů [9] a lze je využít k zesílení slabých optických efektů v optoelektronických zařízeních.

Motivace a aktuální problémy

V současné době se vyvíjejí snahy o integraci plasmonika buď do elektrických obvodů , nebo do analogových elektrických obvodů, aby se spojila kompaktnost elektroniky s datovou kapacitou fotonických integrovaných obvodů (PIC) . [10] Zatímco šířka brány CMOS uzlů používaných pro elektrické obvody se neustále zmenšuje, velikost konvenčních PIC je omezena difrakcí , což vytváří bariéru pro jejich další integraci. V zásadě může plasmonika překonat tento nesoulad velikosti mezi elektronickými a fotonickými součástkami. Současně se fotonika a plasmonika mohou vzájemně doplňovat, protože za určitých podmínek mohou být optické signály převedeny na SPP a naopak.

Jedním z největších problémů při implementaci plazmonových obvodů je krátká vzdálenost šíření povrchových plazmonů. Povrchové plasmony se obvykle pohybují jen několik milimetrů, než dojde k rozpadu signálu. [11] Je to z velké části způsobeno ohmickými ztrátami, jejichž hodnota se zvyšuje s pronikáním elektrického pole do kovu. Výzkumníci se snaží snížit ztráty šířením povrchových plasmonů pomocí různých materiálů, geometrií, frekvencí a změnou vlastností vodivého média. [12] Mezi nové slibné nízkoztrátové plasmonické materiály patří oxidy a nitridy kovů [13] a také grafen . [14] Při vývoji je důležité snížit ztráty snížením drsnosti povrchu.

Další překážkou, kterou musí plasmonické obvody překonat, je tvorba tepla v plasmonickém okruhu, která může nebo nemusí překročit tvorbu tepla ve složitých elektronických obvodech. [11] Nedávno bylo navrženo snížit teplo v plasmonických sítích pomocí zachycených optických vírů, které šíří světlo mezerami mezi částicemi, čímž se sníží absorpce a ohmické zahřívání. [15] [16] [17] Problematická je také změna směru plazmonického signálu v obvodu bez výrazného poklesu jeho amplitudy a cesty šíření. [10] Jedním ze slibných řešení problému změny směru šíření plasmonického signálu je použití Braggových zrcadel nejen pro změnu směru, ale také jako separátory signálu. [osmnáct]

Kromě výše uvedeného umožňují nové aplikace plazmoniky pro řízení tepelné emise [19] a vyhřívaný magnetický záznam [20] využít ohmických ztrát v kovech k získání zařízení s novou rozšířenou funkčností.

Plazmonové vlnovody

Optimalizace návrhu plasmonových vlnovodů je zaměřena na zvýšení jak zadržení, tak vzdálenosti šíření povrchových plasmonů v plasmonovém řetězci. Povrchové plasmonické polaritony jsou popsány komplexním vlnovým vektorem se složkami paralelními a kolmými k rozhraní kov-dielektrikum. Imaginární část složky vlnového vektoru je nepřímo úměrná délce šíření SPP a její reálná část určuje udržení SPP. [21] Disperzní charakteristiky plasmonové vlny závisí na permitivitě materiálů, které tvoří vlnovod. Délka dráhy šíření a omezení povrchové plazmon-polaritonové vlny jsou nepřímo úměrné. Silnější omezení režimu tedy obecně vede ke kratším drahám šíření. Konstrukce vyrobitelného a použitelného schématu povrchového plasmonu závisí do značné míry na kompromisu mezi propagací a omezením. Je tedy nutné najít kompromis mezi mírou módového omezení a maximalizací vzdálenosti šíření plazmonových polaritonů. Při hledání plasmonického schématu se silným omezením a dostatečnou cestou šíření bylo vytvořeno několik typů vlnovodů. Některé z běžnějších typů zahrnují:

Ztráty rozptylem doprovázející šíření SPP v kovech lze snížit zesílením nebo hybridními sítěmi s fotonickými prvky, jako jsou optická vlákna a vlnovody s propojenou dutinou. Takový návrh by mohl vést k hybridnímu plasmonickému vlnovodu, který vykazuje režim subvlnových délek na stupnici jedné desetiny difrakčního limitu světla spolu s přijatelnou cestou šíření. [30] [31] [32] [33]

Komunikace

Vstupní a výstupní porty plasmonického obvodu musí přijímat a odesílat optické signály. To vyžaduje spojení a oddělení optického signálu s povrchovým plazmonem. [34] Disperzní vztah pro povrchový plasmon je mnohem menší než disperzní vztah pro světlo, což znamená, že aby došlo ke spojení, musí vstupní vazební člen zajistit zesílení hybnosti z příchozího světla na povrchové plasmon-polaritonové vlny spuštěné v plasmonu. obvod. [10] Implementace tohoto požadavku existuje v několika verzích, včetně: použití dielektrických hranolů, mřížek nebo lokalizovaných rozptylových prvků na kovovém povrchu, zajišťujících komunikaci přizpůsobením pulzů dopadajícího světla a povrchových plasmonů. [35] Jakmile je povrchový plasmon vytvořen a odeslán na místo určení, může být přeměněn na elektrický signál. To lze provést pomocí fotodetektoru kovové roviny nebo rozdělením povrchového plasmonu na volně se šířící světlo, které pak může být převedeno na elektrický signál. Alternativně může být signál připojen k optickému vláknu nebo vlnovodu.

Aktivní zařízení

Pokrok dosažený v oblasti povrchových plasmonů za posledních 50 let vedl k vývoji různých typů zařízení, aktivních i pasivních. Některá z nejslibnějších aktivních zařízení jsou optická, termooptická a elektrooptická. Plně optická zařízení prokázala svou proveditelnost pro zpracování informací, výměnu dat a ukládání dat při použití jako modulátor. V jednom z experimentů byla prokázána interakce dvou světelných paprsků s různými vlnovými délkami při jejich transformaci na společně se šířící povrchové plasmony prostřednictvím kvantových teček selenidu kademnatého . [36]

Elektrooptická zařízení kombinují vlastnosti jak optických, tak elektrických zařízení ve formě modulátoru. Zejména byly vyvinuty elektro-optické modulátory využívající vysokorychlostní spřažené rezonanční kovové mřížky a nanodráty, které jsou založeny na povrchových plazmonech s dlouhým dosahem (LRSP). [37]

Termooptická zařízení, která obsahují dielektrický materiál, jehož index lomu se mění s teplotou, se kromě směrových vazebních spínačů také používají jako interferometrické modulátory signálu SPP. Ukázalo se, že některá termo-optická zařízení mohou používat vlnovod LRSP, který existuje podél zlatých pásků, které jsou zapuštěny v polymeru a ohřívány elektrickými signály, jako modulátor a směrový vazební spínač. [38]

Další slibnou oblastí je využití spaserů v nanoměřítku litografie, sondování a mikroskopie.

Pasivní zařízení

Spolu s aktivními součástmi při použití plasmonických obvodů lze s elektrickými obvody integrovat také pasivní obvody, což však představuje složitou technologickou výzvu. Mnoho pasivních prvků, jako jsou hranoly , čočky a rozdělovače paprsků, lze implementovat v plasmonickém schématu, ale jejich výroba v nanoměřítku se ukázala jako obtížný úkol, který má nežádoucí důsledky. Při použití refrakčního prvku s jiným indexem lomu může dojít k významným ztrátám odpojením. Byla přijata určitá opatření k minimalizaci ztrát při maximalizaci kompaktnosti fotonických složek. Jeden způsob, jak problém vyřešit, je založen na použití Braggových reflektorů nebo zrcadel, sestávajících ze sekvence rovin, k řízení paprsku povrchových plasmonů. Optimalizované reflektory Bragg mohou odrážet téměř 100 % příchozího výkonu. [10] Další metoda používaná k vytvoření kompaktních fotonických součástek je založena na CPP vlnovodech, protože prokázaly silné ořezávání vidů s přijatelnými ztrátami menšími než 3 dB za podmínek ořezávání vln pro elektrické obvody. [40] Snížení ztrát a maximalizace kompaktnosti pasivních a aktivních zařízení může v budoucnu vytvořit potenciál pro použití plasmonických obvodů.

Odkazy

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Novotný, Lukáš; Hechte, Berte. Principy  nanooptiky . - Cambridge University Press, 2012. - ISBN 9780511794193 .
  2. ↑ 1 2 Maier, SA (2001). „Plasmonics-A Route to Nanoscale Optical Devices“ . pokročilé materiály . 13 (19): 1501-1505. DOI : 10.1002/1521-4095(200110)13:19<1501::AID-ADMA1501>3.0.CO;2-Z . ISSN  0935-9648 .
  3. ↑ Gramotněv, Dmitrij K. (2010). Plazmonika za difrakčním limitem. Fotonika přírody . 4 (2): 83-91. Bibcode : 2010NaPho...4...83G . DOI : 10.1038/nphoton.2009.282 . ISSN  1749-4885 .
  4. ↑ Barnes, William L (2006-03-21). "Povrchové měřítka délky plasmonu a polaritu: cesta k optice pod vlnovou délkou." Journal of Optics A: Pure and Applied Optics . IOP Publishing. 8 (4): S87-S93. DOI : 10.1088/1464-4258/8/4/s06 . ISSN  1464-4258 .
  5. ↑ Boriskina, SV (2011-02-07). „Spektrálně a prostorově konfigurovatelné superčočky pro optoplasmonické nanoobvody“. Proceedings of the National Academy of Sciences . Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 108 (8): 3147-3151. arXiv : 1110.6822 . Bibcode : 2011PNAS..108.3147B . DOI : 10.1073/pnas.1016181108 . ISSN  0027-8424 . PMID21300898  . _
  6. ↑ 1 2 Ahn, Wonmi (2013-04-25). "Ukázka efektivního přenosu fotonů na čipu v samostatně sestavených optoplasmonických sítích." ACS Nano . Americká chemická společnost (ACS). 7 (5): 4470-4478. DOI : 10.1021/nn401062b . ISSN  1936-0851 . PMID23600526  . _
  7. ↑ Santiago-Cordoba, Miguel A. (2011-08-15). „Detekce proteinů na bázi nanočástic optickým posunem rezonanční mikrodutiny“. Dopisy z aplikované fyziky . Publikování AIP. 99 (7). arXiv : 1108.2337 . Bibcode : 2011ApPhL..99g3701S . DOI : 10.1063/1.3599706 . ISSN  0003-6951 .
  8. ↑ Grandidier, Jonathan (2009-08-12). „Propagace za pomoci zisku v plazmovém vlnovodu na vlnové délce Telecomu“. Nano dopisy . Americká chemická společnost (ACS). 9 (8): 2935-2939. Bibcode : 2009NanoL...9.2935G . DOI : 10.1021/nl901314u . ISSN  1530-6984 . PMID  19719111 .
  9. ↑ SV Boriskina, H. Ghasemi a G. Chen, Materials Today, sv. 16, str. 379-390, 2013
  10. ↑ 1 2 3 4 Ebbesen, Thomas W. (2008). „Obvody povrchového plasmonu“. Fyzika dnes . 61 (5): 44-50. Bibcode : 2008PhT....61e..44E . DOI : 10.1063/1.2930735 . ISSN  0031-9228 .
  11. ↑ 1 2 Brongersma, Mark. "Jsou plazmové obvody vlnou budoucnosti?" Stanford School of Engineering. Np, n. d. Web. 26. listopadu 2014. < http://engineering.stanford.edu/research-profile/mark-brongersma-mse Archivováno 19. září 2015 na Wayback Machine >.
  12. ↑ Ozbay, E. (2006-01-13). „Plasmonics: Sloučení fotoniky a elektroniky v nanorozměrech“ . věda . American Association for the Advancement of Science (AAAS). 311 (5758): 189-193. Bibcode : 2006Sci...311..189O . DOI : 10.1126/science.1114849 . ISSN  0036-8075 . PMID  16410515 .
  13. ↑ Naik, Gururaj V. (2011-09-06). „Oxidy a nitridy jako alternativní plasmonické materiály v optickém rozsahu [Pozvány]“. Optické materiály Express . 1 (6): 1090-1099. arXiv : 1108.0993 . Bibcode : 2011OMExp...1.1090N . DOI : 10.1364/ome.1.001090 . ISSN  2159-3930 .
  14. ↑ Vakil, A. (2011-06-09). „Transformační optika pomocí grafenu“. věda . American Association for the Advancement of Science (AAAS). 332 (6035): 1291-1294. Bibcode : 2011Sci...332.1291V . DOI : 10.1126/science.1202691 . ISSN  0036-8075 . PMID  21659598 .
  15. ↑ Boriskina, Světlana V. (2012). „Formování toku světla v nanoměřítku: od vírových nanogearů po fázově ovládané plasmonické stroje“. Nanoměřítko . Royal Society of Chemistry (RSC). 4 (1): 76-90. DOI : 10.1039/c1nr11406a . ISSN  2040-3364 . PMID22127488  . _
  16. ↑ Ahn, Wonmi (2011-12-21). „Zvýšení elektromagnetického pole a tvarování spektra prostřednictvím plazmonově integrovaných optických vírů“. Nano dopisy . Americká chemická společnost (ACS). 12 (1): 219-227. DOI : 10.1021/nl203365y . ISSN  1530-6984 . PMID22171957  . _
  17. ↑ SV Boriskina „Plasmonika se zvratem: zkrocení optických tornád v nanoměřítku“, kapitola 12 v: Plasmonika: Teorie a aplikace (TV Shahbazyan a MI Stockman Eds.) Springer 2013
  18. ↑ Veronis, Georges (2005-09-26). „Ohyby a rozdělovače v kov-dielektrických-kovových plasmonických vlnovodech pod vlnovou délkou“. Dopisy z aplikované fyziky . Publikování AIP. 87 (13). Bibcode : 2005ApPhL..87m1102V . DOI : 10.1063/1.2056594 . ISSN  0003-6951 .
  19. ↑ Boriskina, Světlana (2015-06-18). "Vylepšení a laditelnost radiačního přenosu tepla v blízkém poli zprostředkovaného povrchovými plazmonovými polaritony v tenkých plazmových filmech." fotonika . MDPI AG. 2 (2): 659-683. DOI : 10.3390/photonics2020659 . ISSN  2304-6732 .
  20. ↑ Challener, WA (2009-03-22). "Tepelně podporovaný magnetický záznam pomocí snímače blízkého pole s účinným přenosem optické energie." Fotonika přírody . Springer Science and Business Media LLC. 3 (4): 220-224. Bibcode : 2009NaPho...3..220C . DOI : 10.1038/nphoton.2009.26 . ISSN  1749-4885 .
  21. ↑ Sorger, Volker J. (2012). „Směrem k integrovaným plasmonickým obvodům“. Bulletin PANI . Cambridge University Press (CUP). 37 (8): 728-738. DOI : 10.1557/paní 2012.170 . ISSN  0883-7694 .
  22. ↑ Verhagen, Ewold (2009-05-19). „Nanodrátová plasmonová excitace adiabatickou transformací režimu“ . Fyzické kontrolní dopisy . Americká fyzikální společnost (APS). 102 (20). Bibcode : 2009PhRvL.102t3904V . DOI : 10.1103/physrevlett.102.203904 . ISSN  0031-9007 . PMID  19519030 .
  23. ↑ Dionne, JA (2006). „Vysoce omezený přenos fotonů v vlnovodech s kovovým štěrbinou pro podvlnovou délku“. Nano dopisy . Americká chemická společnost (ACS). 6 (9): 1928-1932. Bibcode : 2006NanoL...6.1928D . DOI : 10.1021/nl0610477 . ISSN  1530-6984 . PMID  16968003 .
  24. ↑ Steinberger, B. (27. 2. 2006). „Dielektrické pruhy na zlatě jako povrchové plasmonové vlnovody“. Dopisy z aplikované fyziky . Publikování AIP. 88 (9). Bibcode : 2006ApPhL..88i4104S . DOI : 10.1063/1.2180448 . ISSN  0003-6951 .
  25. ↑ Krasavin, Alexey V. (2010-05-19). „Plazmonické vlnovody na bázi křemíku“. Optika Express . Optická společnost. 18 (11): 11791-9. Bibcode : 2010OExpr..1811791K . DOI : 10.1364/oe.18.011791 . ISSN  1094-4087 . PMID20589040  . _
  26. ↑ Jung, K.-Y. (2009). „Povrchové plazmonové koplanární vlnovody: charakteristiky režimu a ztráty konverze režimu“. IEEE Photonics Technology Letters . Institut elektrotechnických a elektronických inženýrů (IEEE). 21 (10): 630-632. Bibcode : 2009IPTL...21..630J . DOI : 10.1109/lpt.2009.2015578 . ISSN  1041-1135 .
  27. ↑ Boževolnyi, Sergej I. (2006). „Součásti vlnovodu kanálového plasmonu pro subvlnovou délku včetně interferometrů a prstencových rezonátorů“. příroda . pružinová povaha. 440 (7083): 508-511. Bibcode : 2006Natur.440..508B . DOI : 10.1038/nature04594 . ISSN  0028-0836 . PMID  16554814 .
  28. ↑ Hromada, DFP (2005-08-08). "Teoretické a experimentální zkoumání silně lokalizovaných plasmonů na trojúhelníkových kovových klínech pro subvlnové vlnové vedení". Dopisy z aplikované fyziky . Publikování AIP. 87 (6). Bibcode : 2005ApPhL..87f1106P . DOI : 10.1063/1.1991990 . ISSN  0003-6951 .
  29. ↑ Boriskina, SV (2011-02-07). „Spektrálně a prostorově konfigurovatelné superčočky pro optoplasmonické nanoobvody“. Proceedings of the National Academy of Sciences . 108 (8): 3147-3151. arXiv : 1110.6822 . Bibcode : 2011PNAS..108.3147B . DOI : 10.1073/pnas.1016181108 . ISSN  0027-8424 . PMID21300898  . _
  30. ↑ MZ Alam, J. Meier, JS Aitchison a M. Mojahedi, "Super mode propagation in low index medium", Paper ID: JThD112, CLEO/QELS 2007.
  31. ↑ Sorger, Volker J. (2011-05-31). „Experimentální demonstrace nízkoztrátového optického vlnovodu na hlubokých sub-vlnových délkách“. Příroda komunikace . Springer Science and Business Media LLC. 2 (1). Bibcode : 2011NatCo...2..331S . DOI : 10.1038/ncomms1315 . ISSN  2041-1723 .
  32. ↑ Oulton, RF (2008-07-11). „Hybridní plasmonický vlnovod pro omezení podvlnových délek a šíření na velké vzdálenosti“. Fotonika přírody . Springer Science and Business Media LLC. 2 (8): 496-500. Bibcode : 2008NaPho...2.....O . DOI : 10.1038/nphoton.2008.131 . ISSN  1749-4885 .
  33. ↑ Alam, Muhammad Z. (2014-02-19). „Sňatek z rozumu: Hybridizace povrchových plazmonových a dielektrických vlnovodných režimů“. Recenze laseru a fotoniky . Wiley. 8 (3): 394-408. Bibcode : 2014LPRv....8..394A . DOI : 10.1002/lpor.201300168 . ISSN  1863-8880 .
  34. ↑ Krenn, JR (2004-04-15). „Polaritony povrchových plazmonů v kovových proužcích a drátech“. Filosofické transakce Královské společnosti v Londýně. Řada A: Matematické, fyzikální a inženýrské vědy . Královská společnost. 362 (1817): 739-756. DOI : 10.1098/rsta.2003.1344 . ISSN  1364-503X . PMID  15306491 .
  35. ↑ González, MU (2006-04-13). „Návrh, charakterizace v blízkém poli a modelování 45° povrchově plasmonových Braggových zrcadel“. Fyzický přehled B. Americká fyzikální společnost (APS). 73 (15). Bibcode : 2006PhRvB..73o5416G . DOI : 10.1103/physrevb.73.155416 . ISSN  1098-0121 .
  36. ↑ Pacifici, Domenico (2007). „Celooptická modulace plasmonickou excitací kvantových teček CdSe“. Fotonika přírody . pružinová povaha. 1 (7): 402-406. Bibcode : 2007NaPho...1..402P . DOI : 10.1038/nphoton.2007.95 . ISSN  1749-4885 .
  37. ↑ Wu, Zhi (2008-03-05). "Konstrukce plazmového elektrooptického modulátoru využívající rezonanční kovovou mřížku." Optika dopisy . Optická společnost. 33 (6): 551-3. Bibcode : 2008OptL...33..551W . DOI : 10.1364/ol.33.000551 . ISSN  0146-9592 . PMID  18347706 .
  38. ↑ Nikolajsen, Thomas (2004-12-13). „Modulátory a přepínače založené na povrchových plazmonových polaritonech pracující na telekomunikačních vlnových délkách“. Dopisy z aplikované fyziky . Publikování AIP. 85 (24): 5833-5835. Bibcode : 2004ApPhL..85.5833N . DOI : 10.1063/1.1835997 . ISSN  0003-6951 .
  39. ↑ Volkov, Valentyn S. (2006). „Kompaktní postupné ohyby pro kanálové plasmonové polaritony“. Optika Express . Optická společnost. 14 (10): 4494-503. Bibcode : 2006OExpr..14.4494V . DOI : 10.1364/oe.14.004494 . ISSN  1094-4087 . PMID  19516603 .