Plasmonische apparaten combineren de 'supersnelheid' van optica met het 'superkleine' van micro-elektronica. Deze apparaten vertonen kwantumeffecten en zijn veelbelovend als mogelijke ultrasnelle circuitelementen, maar de huidige materiaalverwerking beperkt dit potentieel. Nutsvoorzieningen, een team van in Singapore gevestigde onderzoekers heeft een nieuw fysiek proces gebruikt, bekend als kwantumplasmonische tunneling, om de mogelijkheid van praktische kwantumplasmonische apparaten aan te tonen.

Tunnelen is een intrigerend aspect van de kwantummechanica waarbij een deeltje door een klassiek onoverkomelijke barrière kan gaan. theoretisch, quantum plasmonische tunneling is alleen merkbaar wanneer plasmonische componenten zeer dicht bij elkaar liggen - binnen een halve nanometer of minder. Echter, onderzoekers van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, het A*STAR Institute of High Performance Computing en de National University of Singapore konden kwantumeffecten waarnemen tussen materialen die meer dan een nanometer van elkaar verwijderd waren.

Ze onderzochten het tunnelen van elektronen over een opening tussen twee nanoschaal kubussen van zilver bedekt met een monolaag van moleculen. Transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie toonde aan dat deze nanokubussen zichzelf in paren assembleerden. De scheiding, en vandaar de tunnelafstand, tussen de nanodeeltjes kan worden gecontroleerd door de keuze van het oppervlaktemolecuul - tussen 0,5 en 1,3 nanometer in de geteste gevallen.

De monolaag van moleculen had nog een andere functie:het verschaffen van moleculaire elektronische controle over de frequentie van de oscillerende tunnelstroom, die kan worden afgestemd tussen 140 en 245 terahertz (1 terahertz =1012 hertz), zoals werd aangetoond door monochromatische elektronen-energieverliesspectroscopie.

theoretische voorspellingen, ondersteund door experimentele resultaten, bevestigde de aard van de door plasmon ondersteunde tunnelstromen tussen de zilveren kubussen. "We laten zien dat het mogelijk is om licht te laten schijnen op een klein systeem van twee dicht bij elkaar gelegen zilveren kubussen (zie afbeelding) en een tunnelstroom te genereren die zeer snel oscilleert tussen deze zilveren elektroden, ", legt A*STAR-onderzoeker Michel Bosman uit. "De oscillatie is enkele ordes van grootte sneller dan de typische kloksnelheden in microprocessors, die momenteel in het gigahertz (=109 hertz) regime opereren." de resultaten tonen ook de mogelijkheid van terahertz moleculaire elektronica aan.

Twee factoren hebben bijgedragen aan het succes van de experimenten. Eerst, de nanokubussen hadden atomair vlakke oppervlakken, het maximaliseren van het tunneloppervlak tussen de twee nanodeeltjes. Tweede, de met moleculen gevulde opening verhoogde de snelheid van tunnelen, waardoor het mogelijk is om door plasmon ondersteunde kwantumtunneling te meten.

"We gaan nu verschillende moleculen in de tunnelopening gebruiken om uit te zoeken hoe ver de tunnelstromen kunnen worden gedragen, en in welk bereik we de oscillatiefrequentie kunnen afstemmen, ' zegt Bosman.