Световая антенна с электрической модуляцией открывает путь к более быстрым чипам

Плазмонные резонаторы, также известные как “антенны для света”, являются многообещающим способом достижения такого скачка в скорости. Это металлические структуры нанометрового размера, в которых взаимодействуют свет и электроны. В зависимости от своей геометрии они могут взаимодействовать с различными частотами света.
“Проблема заключается в том, что плазмонные резонаторы пока не поддаются эффективной модуляции, как в случае с транзисторами в обычной электронике. Это препятствует разработке быстрых переключателей на основе света ”, — говорит доктор Торстен Фейхтнер, физик из Университета Юлиуса-Максимилиана (JMU) Вюрцбурга в Баварии, Германия.

Исследовательская группа JMU в сотрудничестве с Университетом Южной Дании (SDU) в Оденсе сделала значительный шаг вперед в области модуляции световых антенн: ей удалось добиться электрически управляемой модуляции, которая указывает путь к сверхбыстрой активной плазмонике и, следовательно, к значительно более быстрым компьютерным чипам. Эксперименты были опубликованы в журнале Science Advances.
Вместо того чтобы пытаться изменить весь резонатор целиком, команда сосредоточилась на изменении свойств его поверхности. Этот прорыв был достигнут за счет электрического контакта с единственным резонатором, наностержнем из золота – идея, которая концептуально проста, но может быть реализована только с помощью сложных нанотехнологий, основанных на пучках ионов гелия и нанокристаллах золота. Этот уникальный метод изготовления был разработан на кафедре экспериментальной физики (биофизики) JMU под руководством профессора Берта Хехта. Сложные методы измерения с использованием встроенного усилителя имели решающее значение для обнаружения небольших, но значительных воздействий на поверхность резонатора.

Руководитель исследования доктор Торстен Фейхтнер объясняет: “Эффект, который мы используем, сравним с принципом клетки Фарадея. Точно так же, как электроны в автомобиле, пораженном молнией, собираются снаружи, и пассажиры внутри в безопасности, дополнительные электроны на поверхности влияют на оптические свойства резонаторов.”

Удивительные квантовые эффекты

До сих пор оптические антенны почти всегда можно было описать классически: электроны металла просто останавливались на краю наночастицы, как вода у стенки гавани. Однако измерения, проведенные вюрцбургскими учеными, выявили изменения в резонансе, которые больше нельзя объяснить классическими терминами: электроны “размазываются” по границе между металлом и воздухом, что приводит к мягкому, постепенному переходу, подобному песчаному пляжу, встречающемуся с морем.
Чтобы объяснить эти квантовые эффекты, теоретики из SDU Odense разработали полуклассическую модель. Она включает квантовые свойства в параметр поверхности, чтобы расчеты можно было проводить классическими методами. “Изменяя функции отклика поверхности, мы объединяем классические и квантовые эффекты, создавая единую структуру, которая улучшает наше понимание поверхностных эффектов”, — объясняет физик JMU Лука Зурак, первый автор исследования.

В долгосрочной перспективе исследователи видят еще больше применений: резонаторы меньшего размера обещают оптические модуляторы с высокой эффективностью, которые можно было бы использовать технологически. Кроме того, с помощью представленной системы также можно исследовать влияние поверхностных электронов на каталитические процессы. Это позволило бы по-новому взглянуть на технологии преобразования и накопления энергии.