EPFL-wetenschappers hebben ontdekt hoe optische signaaloverdracht kan worden gecontroleerd, de weg vrijmaakt voor de integratie van plasmonics met conventionele elektronische schakelingen.

Wanneer licht onder bepaalde omstandigheden een metaal raakt, het genereert een dichtheidsgolf van de elektronen op het oppervlak, alsof je een steen in het water gooit. Deze golf wordt een plasmon genoemd, en het is klein en snel, optreden bij optische frequenties. plasmonica, de studie van plasmonen, heeft wereldwijd enorme belangstelling gekregen omdat het een manier zou kunnen bieden om elektronische en optische circuits te overbruggen in technologieën zoals computers, het creëren van supersnelle processors. Echter, het integreren van plasmonics met reguliere elektronische schakelingen vereist het vermogen om de plasmonen te controleren. In een spannende Nano-letters publicatie, EPFL-wetenschappers die samenwerken met het Max Plank Institute hebben ontdekt hoe plasmonen kunnen worden gecontroleerd in termen van energie en ruimte.

Optische vezels hebben de manier waarop we communiceren al veranderd door licht te gebruiken om digitale gegevens en hoge bandbreedtes en over lange afstanden te verzenden, maar vereisen relatief omvangrijke "draden" die in wezen vierlaagse buizen zijn met reflecterende binnenkanten. Anderzijds, elektrische draden zijn dunner en gemakkelijker te vervaardigen, maar verzendt gegevens met een veel lagere snelheid. Plasmonics hebben het potentieel om optica te overbruggen met elektronica en hun voordelen te combineren zonder hun nadelen.

Het idee is simpel:gebruik licht om gegevens te coderen en te verzenden met optische frequenties over het oppervlak van een conventionele elektrische draad. Vaak aangeduid als "licht op een draad", plasmonica is een snel groeiend veld geworden dat veel opwindende nieuwe technologieën belooft. Deze omvatten extreem gevoelige biosensoren, aanzienlijk verbeterde telecommunicatie en een nieuwe generatie computerprocessors die met ultrahoge snelheden kunnen werken. Aangezien plasmonen golven van geëxciteerde oppervlakte-elektronen zijn in plaats van beweging van werkelijke deeltjes, plasmonische transmissie kan orden van grootte sneller zijn dan elektronische transmissie.

Wetenschappers van het Max-Planck-EPFL Center for Molecular Nanoscience and Technology hebben ons nu een stap dichter bij een tijdperk van plasmonica gebracht door aan te tonen dat de moleculaire orbitalen van het oppervlak van een metaal fungeren als kleine poortjes die plasmonen energetisch en ruimtelijk kunnen beheersen. Het grootste obstakel bij het integreren van plasmonics in conventionele elektronische circuits is dat prototype-apparaten op nanoschaal moeten worden gebouwd. Dit betekent dat ze regelbare interfaces tussen nano-elektronica en nano-optica nodig hebben. De onderzoekers ontdekten dat de oplossing ligt in de individuele moleculaire orbitalen:wiskundige functies die de elektronenwolken beschrijven die ontstaan ​​wanneer atomen samenkomen in een molecuul.

Onder leiding van Klaus Kern, het team gebruikte een scanning tunneling microscoop (STM) om iridiumcomplexen te onderzoeken die waren afgekoeld tot een absolute nultemperatuur (5 graden Kelvin). STM-microscopie maakt gebruik van het tunnelen van elektronen van een metalen oppervlak naar een zeer scherpe metalen punt die over het metaaloppervlak kan worden gescand. Op weg naar de punt, sommige elektronen verliezen energie. Deze energie wekt oscillaties (plasmonen) op aan het metalen oppervlak en de punt en kan vervolgens worden waargenomen door de emissie van licht in een optische detector.

De gegevens van het team toonden aan dat de excitatie van plasmonen actief kan worden gecontroleerd door een enkel molecuul. Een iridiumcomplex bestuderen, ze ontdekten dat zijn moleculaire orbitalen - in feite de specifieke energieniveaus - fungeren als kleine poorten die zowel energetisch als ruimtelijk de vorming van plasmonen bepalen, zelfs tot gebieden die kleiner zijn dan het molecuul zelf. In feite, in moleculen waarvan de elektronenstructuur bekend is, zowel de energie als de locatie van gegenereerde oscillaties kunnen worden voorspeld, wat betekent dat het nu mogelijk is om de productie van plasmonen op het niveau van één molecuul daadwerkelijk te beheersen.

De wetenschappers zijn van mening dat dit fenomeen niet alleen beperkt is tot het iridiumcomplex, maar zou ook moeten gelden voor andere organische moleculen. De ontdekking zal een aanzienlijke impact hebben op het ontwerp van toekomstige op plasma gebaseerde apparaten, omdat het de weg vrijmaakt om de elektrische excitatie van plasmonische nanostructuren te beheersen tot, en zelfs beneden, het niveau van een individueel molecuul, en kan de directe integratie van plasmonische nanostructuren in conventionele elektronische circuits mogelijk maken.