Плазмоника

Гарри Этуотер

Технология передачи электромагнитных волн по наноскопическим структурам открывает дорогу к созданию сверхбыстрых компьютеров и высокочувствительных молекулярных датчиков

Сегодня весь земной шар опутан оптическими волокнами, по которым передаются колоссальные потоки информации, закодированной в световых сигналах. Устройства, манипулирующие видимым светом и другими электромагнитными волнами, могли бы прийти на смену электронным цепям в микропроцессорах и других микросхемах. К сожалению, дифракция накладывает серьезные ограничения на размеры и характеристики фотонных приборов: ширина оптического волокна, из-за интерференции световых волн, должна быть не меньше половины их длины. Для передачи оптических сигналов внутри микросхем скорее всего будет использоваться инфракрасный свет с длиной волны около 1 500 нм. Минимальная ширина световода в этом случае будет слишком велика: транзисторы современных чипов состоят из элементов размером не более 100 нм.

Однако недавно исследователи разработали новый способ передачи оптических сигналов через наноскопические структуры. В 1980-х гг. было экспериментально установлено, что при определенных условиях между световыми волнами, направленными на границу раздела между металлом и диэлектриком, и подвижными электронами на поверхности металла возникает резонансное взаимодействие. Иными словами, электроны начинают колебаться в такт с колебаниями электромагнитного поля над металлом. В результате возникают поверхностные плазмоны — волны плотности электронов, которые распространяются вдоль границы раздела как рябь на поверхности пруда, потревоженной упавшим камнем.

Рис.1.Луч света, падающий на поверхность металла, создает плазмон — волны электронной плотности, с помощью которых можно передавать огромные потоки информации. Если свет фокусируется на поверхности с кольцевой канавкой, возникают концентрические волны с кольцами высокой и низкой электронной плотности, как показано на рисунке

За последнее десятилетие исследователи пришли к выводу, что творческий подход к созданию границы между металлом и диэлектриком позволяет получать поверхностные плазмоны с той же частотой, что и внешние электромагнитные волны, но с намного меньшей длиной волны. Таким образом, плазмоны могут распространяться по наноскопическим межсоединениям, перенося информацию между частями микропроцессора. Плазмонные межсоединения стали бы настоящим подарком для разработчиков микросхем, которые давно научились уменьшать размеры и повышать быстродействие транзисторов, но до сих пор не изобрели электронные цепи, быстро передающие информацию внутри чипа.

В 2000 г. мы с коллегами из Калифорнийского технологического института назвали зарождающееся направление плазмоникой, понимая, что дальнейшие исследования приведут к появлению совершенного нового класса устройств. Их можно будет использовать для повышения разрешающей способности микроскопов, эффективности светодиодов и чувствительности химических и биологических детекторов. Уже рассматривается вопрос о применении плазмонного резонансного поглощения для лечения злокачественных опухолей. Теоретически плазмонные материалы могут даже изменять электромагнитные поля вокруг объекта и делать его невидимым. Кроме того, плазмоника должна пролить свет на тайны нано-мира.

ОБЗОР: ПЛАЗМОНИКА Используя свет для создания волн электронной плотности, названных плазмонами, можно передавать оптические сигналы по наноскопическим проводникам. Плазмонные цепи обладают колоссальной пропускной способностью, и поэтому их можно использовать для передачи огромных объемов информации внутри сверхбыстрых микросхем. Применение плазмонных компонентов также позволит повысить разрешение микроскопов, эффективность светоизлучающих диодов и чувствительность химических и биологических датчиков. Некоторые ученые считают, что плазмонные материалы способны искривлять электромагнитные поля вокруг объектов, делая их невидимыми.