Что такое плазмон в технологии
ПЛАЗМОНИКА (УСТРОЙСТВА НАНООПТИКИ)
Как еще одну важную область применения наноплазмоники можно отметить создание метаматериалов, искусственных материалов, в которых место обычных атомов занимают плазмонные наночастицы или наноструктуры специально подобранной формы 3. Такие частицы так же можно называть «искусственными атомами» или «плазмонными атомами». Такие метаматериалы обладают свойствами, которые отличаются от свойств естественных материалов. Плазмонные метаматериалы могут иметь не только отрицательную диэлектрическую проницаемость (как в обычных благородных металлах), но и отрицательную магнитную проницаемость. Комбинация этих свойств приводит к возможности создания оптических устройств (наноскопов), в которых, в отличие от обычных микроскопов, не существует дифракционного предела и можно увидеть объекты размером в несколько нанометров.
На основании плазмонных метаматериалов также разрабатывается концепция «плаща-невидимки». Этот метаматериал имеет такое распределение электрических и магнитных свойств, что все лучи света будут обходить некоторый объем без рассеяния и отражения и, следовательно, любой объект, помещенный внутрь этого объема, будет казаться невидимым для стороннего наблюдателя. Наноплазмоника — это достаточно молодая наука, поэтому еще не все ее законы изучены в полной мере, что приводит к необходимости разрешения самых различных парадоксов [5]. В частности, если вблизи слоя метаматериала с одновременно отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостями поместить точечный источник света, например, излучающий атом, то в зеркально симметричной относительно поверхности точке необходимо одновременно поместить поглощающий излучение атом, т. е. атомы в такие системы можно помещать только парами. Существование такого рода парадоксов позволяет быть уверенным, что эту нанонауку ждет большое будущее.
В разнообразных физических экспериментах, которые проводились с начала 80-х годов прошлого века, поверхностные плазмоны возбуждали при помощи направленного к поверхности металла лазерного луча. Ученые установили, что при определенных условиях (точно подобранном угле лазера, варьировании толщины, химического состава соприкасающихся поверхностей и проч.) плазмонные волны могут колебаться с той же частотой, что и внешние электромагнитные.
Проведенный ряд исследований и экспериментов, проведенный группой ученых Тони Юн Хана в области плазмоники показал, что можно создать простые плазмонные логические элементы, которые будут построены на основе переключения сложных молекул, имеющих два стабильных состояния формы этой молекулы. Они определяют значения логического нуля и логической единицы, являющихся основным принципом, на котором построена бинарная арифметика. Эти состояния достаточно просто определить благодаря различным характеристикам плазмона, который был создан на поверхности материала, созданного из подобных молекул. Использование вместо проводников нано-плазмонных волноводов позволит устранить эти проблемы и повысить частоты функционирования компьютеров и других устройств [6].
В настоящее время «переключение» молекулы в разные состояния осуществляется с помощью химического метода, это приводит к некоторым затруднениям в построении цепей, которые могут быть достаточно сложными. Некоторые ученые утверждают, что уже в ближайшем будущем будет разработана технология, которая будет «переводить» молекулы из одного состояния в другое с помощью оптического или электрического возбуждения, это позволит создать некоторый технологический базис для производства новых «молекулярных компьютеров».
Глущенко А.Г., Захарченко Е.П. Субволновые линии передачи. Инфокоммуникационные технологии. 2009. – Т. 7. – № 3. – С. 20-27.
Glushchenko A.G., Zakharchenko E.P. Induced transparency transcendent structures with active media. LAPLAMBERT Academic Publishing. 2011. – 186 p.
В.В. Климов. Наноплазмоника. М.: ФИЗМАТЛИТ. 2009.
Эти свойства проистекают из уникальной структуры композитов металл-диэлектрик с характеристиками меньше длины волны света, разделенными субволновыми расстояниями. Свет, падающий на такой метаматериал, преобразуется в поверхностные плазмонные поляритоны, длина волны которых короче падающего света.
СОДЕРЖАНИЕ
Плазмонные материалы
Отрицательный индекс
Обычно свет, идущий, скажем, из воздуха в воду, изгибается, проходя через нормаль (плоскость, перпендикулярную поверхности) и попадая в воду. Напротив, свет, достигающий материала с отрицательным коэффициентом преломления через воздух, не пересечет нормаль. Скорее наоборот.
Впервые об отрицательном преломлении сообщили для микроволновых и инфракрасных частот. Отрицательный показатель преломления в оптическом диапазоне был впервые продемонстрирован в 2005 г. Шалаевым и др. (на длине волны связи λ = 1,5 мкм) и Brueck et al. (при λ = 2 мкм) почти одновременно. В 2007 году сотрудничество между Калифорнийским технологическим институтом и NIST сообщило об узкополосной отрицательной рефракции видимого света в двух измерениях.
Чтобы создать этот отклик, падающий свет соединяется с волнообразными газоподобными зарядами (плазмонами), обычно на поверхности металлов. Это фотонно-плазмонное взаимодействие приводит к появлению плазмонных волн, которые генерируют интенсивные локализованные оптические поля. Волны ограничиваются границей раздела между металлами.
и изолятор. Этот узкий канал служит преобразующим проводником, который, по сути, улавливает и сжимает длину волны входящего света до доли его первоначального значения.
Свет, падающий на обычные материалы с положительным показателем преломления, оказывает положительное давление, что означает, что он может оттолкнуть объект от источника света. Напротив, освещение метаматериалов с отрицательным показателем преломления должно создавать отрицательное давление, которое притягивает объект к свету.
Трехмерный отрицательный индекс
Индекс градиента
Гиперболический
Изотропия
Первые созданные метаматериалы проявляют анизотропию в своем воздействии на плазмоны. Т.е. действуют только в одном направлении.
Совсем недавно исследователи использовали новую технику самосвертывания для создания трехмерного массива резонаторов с разъемным кольцом, которые проявляют изотропию при вращении в любом направлении до угла падения до 40 градусов. Воздействие воздуха на полосы из никеля и золота, нанесенных на полимерную / кремниевую подложку, позволило механическим напряжениям свернуть полосы в кольца, образуя резонаторы. Путем расположения полосок под разными углами друг к другу была достигнута 4-х кратная симметрия, что позволило резонаторам производить эффекты во многих направлениях.
Материалы
Кремний сэндвич
Графен
Сверхрешетка
Материал работает в широком спектре от ближнего инфракрасного до видимого света. Ближний инфракрасный диапазон необходим для телекоммуникаций и оптической связи, а видимый свет важен для датчиков, микроскопов и эффективных твердотельных источников света.
Приложения
Микроскопия
Биологическое и химическое зондирование
Оптические вычисления
Оптические вычисления заменяют электронные сигналы устройствами обработки света.
Фемтосекундный лазер посылает свободные электроны в частицах золота, которые прыгают в VO.
2 и вызывают субпикосекундное изменение фазы.
Устройство совместимо с текущей технологией интегральных схем, на основе кремния чипов и высокой K диэлектриков материалов. Работает в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Он генерирует всего 100 фемтоджоулей / бит / операцию, что позволяет плотно упаковать переключатели.
Фотогальваника
Металлы группы золота (Au, Ag и Cu) используются в качестве активных материалов в фотоэлектрических элементах и солнечных элементах. Материалы действуют одновременно как доноры электронов и дырок, и, таким образом, могут быть зажаты между электронными и дырочными транспортными слоями для создания фотоэлектрического элемента. В настоящее время эти фотоэлектрические элементы позволяют питать интеллектуальные датчики для платформы Интернета вещей (IoT).
Плазмон
Содержание
Вывод [ править ]
Плазмон был первоначально предложен в 1952 году Дэвидом Пайнсом и Дэвидом Бомом [1], и было показано, что он возникает из гамильтониана для дальнодействующих электрон-электронных корреляций. [2]
Объяснение [ править ]
Роль [ править ]
В модели свободных электронов энергию плазмона часто можно оценить как
Поверхностные плазмоны [ править ]
Поверхностные плазмоны могут также наблюдаться в рентгеновских эмиссионных спектрах металлов. Получено дисперсионное соотношение для поверхностных плазмонов в рентгеновских эмиссионных спектрах металлов (Харш и Агарвал). [13]
Совсем недавно поверхностные плазмоны стали использовать для управления цветом материалов. [14] Это возможно, поскольку контроль формы и размера частицы определяет типы поверхностных плазмонов, которые могут взаимодействовать и распространяться по ней. Это, в свою очередь, контролирует взаимодействие света с поверхностью. Эти эффекты иллюстрируются историческими витражами, которые украшают средневековые соборы. Некоторые цвета цветных витражей создаются металлическими наночастицами фиксированного размера, которые взаимодействуют с оптическим полем, придавая стеклу яркий красный цвет. В современной науке эти эффекты были разработаны как для видимого света, так и для микроволнового излучения.. Многие исследования сначала ведутся в микроволновом диапазоне, потому что на этой длине волны поверхности материалов и образцы могут быть получены механическим способом, поскольку рисунки обычно имеют размер порядка нескольких сантиметров. Создание поверхностных плазмонных эффектов оптического диапазона включает создание поверхностей с характеристиками [15] [16] и инфракрасной спектроскопии. [17] Потенциальные применения графеновой плазмоники в основном касались терагерцовых и средних инфракрасных частот, таких как оптические модуляторы, фотодетекторы, биосенсоры. [18]
Возможные приложения [ править ]
Плазмоны также были предложены как средство литографии и микроскопии с высоким разрешением из-за их чрезвычайно малых длин волн; оба этих приложения были успешно продемонстрированы в лабораторных условиях.
Наконец, поверхностные плазмоны обладают уникальной способностью ограничивать свет очень маленькими размерами, что может открыть множество новых приложений.
В 2009 году корейская группа исследователей нашла способ значительно улучшить эффективность органических светодиодов с помощью плазмонов. [22]
Плазмон-Солитон [ править ]
СОДЕРЖАНИЕ
Вывод
Плазмон был первоначально предложен в 1952 году Дэвидом Пайнсом и Дэвидом Бомом, и было показано, что он возникает из гамильтониана для дальнодействующих электрон-электронных корреляций.
Объяснение
Энергию плазмона часто можно оценить в модели свободных электронов как
Поверхностные плазмоны
Поверхностные плазмоны также могут наблюдаться в рентгеновских эмиссионных спектрах металлов. Получено дисперсионное соотношение для поверхностных плазмонов в рентгеновских эмиссионных спектрах металлов (Харш и Агарвал).
Плазмоны также были предложены в качестве средства литографии и микроскопии с высоким разрешением из-за их чрезвычайно малых длин волн; оба этих приложения были успешно продемонстрированы в лабораторных условиях.
Наконец, поверхностные плазмоны обладают уникальной способностью ограничивать свет очень маленькими размерами, что может открыть множество новых приложений.
В 2009 году корейская группа исследователей нашла способ значительно повысить эффективность органических светодиодов с помощью плазмонов.
Плазмон-солитон
Плазмон- солитон математически относится к гибридному решению нелинейного уравнения амплитуды, например, для нелинейно-металлической среды с учетом как плазмонной моды, так и уединенного решения. С другой стороны, солиплазмонный резонанс рассматривается как квазичастица, сочетающая моду поверхностного плазмона с пространственным солитоном в результате резонансного взаимодействия. Чтобы достичь одномерного распространения в плазмонном волноводе, в то время как поверхностные плазмоны должны быть локализованы на границе раздела, поперечное распределение огибающей поля также должно быть неизменным. Волновод на основе
графена является подходящей платформой для поддержки гибридных плазмонных солитонов из-за большой эффективной площади и огромной нелинейности. Например, распространение уединенных волн в гетероструктуре графен-диэлектрик может проявляться в виде солитонов более высокого порядка или дискретных солитонов, возникающих в результате конкуренции между дифракцией и нелинейностью.
Технология наноплазмоники
Плазма твердых тел
Нанолазер на поверхностных плазмонах (спейзер)
Плазмонный графеновый чип
Применения устройств наноплазмоники
От нанофотоники, раздела нанооптики, где исследуются наноразмерные поля со считаным количеством фотонов и поведение света на нанометровой шкале, на рубеже веков отпочковалось очередное технологическое поднаправление — наноплазмоника.
наноплазмоника — составная часть нанофотоники, занимающаяся исследованием оптических свойств и явлений, возникающих при колебаниях электронов проводимости в металлических наноструктурах и наночастицах, и взаимодействием этих колебаний со светом, атомами и молекулами.
Наноплазмоника изучает явления, связанные с колебаниями электронов проводимости в металлических наноструктурах и наночастицах и взаимодействие этих колебаний со светом, атомами и молекулами, с целью создания сложных оптических наноустройств.
Плазмонные колебания в наночастицах существенно отличаются от поверхностных плазмонов, и называются локализованными плазмонами.
Важнейшея особенность явлений в наноплазмонике — сочетание сильной пространственной локализации электронных колебаний с высокой частотой этих колебаний (от ультрафиолетового диапазона до инфракрасного). Сильная локализация приводит к гигантскому увеличению локальных оптических и электрических полей. Свойства локализованных плазмонов критически зависят от формы наночастиц, что позволяет настраивать систему их резонансов на эффективное взаимодействие со светом или элементарными квантовыми системами (молекулами, квантовыми точками).
Эти свойства плазмонных наночастиц позволи обнаружить ряд новых эффектов.
-Гигантские локальные поля вблизи наночастиц приводят к увеличению сечения комбинационного рассеяния на 10-14 порядков, что позволяет обнаруживать отдельные молекулы.
-Наличие локальных полей дает возможность определять структуру ДНК без без прикрепления к ней маркеров.
-Используя сложную структуру спектров плазмонных частицможно одновременно усиливать ипоглощение и испускание света наночастицами и создавать эффективные флюорофоры и наноразмерные источники света.
–Плазмонные наночастицы можно использовать для стимулированного усиления плазмонных колебаний в наночастицах оптическим излучением.
-Благодаря очень малым размерам металлических наноструктур и оптическому быстродействию происходящих в них процессов наноплазмоника позволит создать новую элементную базу для оптических компьютеров и устройств обработки данных.
Для реализации этой идеи сначала должны появиться плазмонные устройства, аналогичные традиционным транзисторам (приборам для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний), из которых можно будет собирать сверхбыстрые сигнальные процессоры.
До настоящего времени дальнейшее активное развитие наноплазмоники серьезно сдерживалось отсутствием работающих устройств, способных эффективно генерировать когерентные плазмонные поля. Иными словами, на протяжении многих лет одной из ключевых практических задач, стоящих перед разработчиками новых наноплазмонных структур, считалось создание плазмонного аналога лазера.
Плазма твердых тел состоит из ионов, атомов, совершающих малые колебания относительно положений равновесия, и подвижных носителей заряда- электронов совершающих движение в самосогласованном поле. Плазма типичных металлов –сильно вырожденная электронная ферми-жидкость. Электроны движется в условиях сильного взаимодействия с ионами кристаллической решетки, формирующего их энергетический спектр, и столкновениях с примесями и дефектами кристаллической решетки. Концентрация носителей заряда велика в металлах 
. Плазма в среднем электрически нейтральна. Засчет флуктуаций в ней возникают плазменные колебания.
Для их описания вводят квазичастицу- квант плазменных колебаний называемую плазмоном с энергией 
и импульсом 
, где 
-волновой вектор. Плазмоны в металлах самые высокоэнергетические возбуждения. Плазмоны (волны электронной плотности) возникают в твердых телах (объемные плазмоны) или вблизи их поверхности в результате коллективных колебаний электронов проводимости относительно ионов.
Плазмонный резонанс англ. plasmon resonance) — возбуждение поверхностного плазмона на его резонансной частоте внешней электромагнитной волной (в случае наноразмерных металлических структур называется локализованным плазмонным резонансом).
Технический прием, позволяющий использовать поверхностные плазмоны в оптике, основан на использовании полного внутреннего отражения. При полном внутреннем отражении, вдоль отражающей свет поверхности, распространяется электромагнитная волна, скорость которой зависит от угла падения. Если при определенном угле падения скорость этой волны совпадет со скоростью поверхностного плазмона на поверхности металла, то условия полного внутреннего отражения нарушатся, и отражение перестанет быть полным, возникнет поверхностный плазмонный резонанс[1].
Текст и рис ниже из лекции Серебрякова
Экспериментальное наблюдение плазмонов с помощью оптического микроскопа на поверхности образца из золота.
На рисунке 7 показан «портрет» резонансно усиленных плазменных колебаний на поверхности макроскопического образца золота. Образец освещался белым светом с помощью лампы подсветки оптического микроскопа. Различные градации зеленого и красного цветов соответствуют излучающим резонансам различных по размерам дефектов поверхности, работающих в режиме резонансных рассеивателей.
Рис.7а. Плазмонный резонанс на статистически неровной поверхности. 7
Рис.7а. Плазмонный резонанс на статистически неровной поверхности. 7
Рис.7б. Плазмонный резонанс на статистически неровной поверхности.
[1] Каплун В.А., Браммер Ю.А., Лохова С.П., Шостак И.В. Радиотехнические устройства и элементы радиосистем. Учебное пособие. М.: Высшая школа, 2002.- 294 с.
[2] Asakawa K. et al. “Photonic crystal and quantum dot technologies for all-optical switch and logic device,” New Journal of Physics, V.8, N.208 (2006), P. 1-26.
[3] Serebrennikov A.M. “Multipolar resonant particle modes as elementary excitations in chain waveguides: Theory, dispersion relations and mathematical modeling,” Optics Communications, V. 284, N. 21 (2011), P. 5043-5054.
В наноразмерных металлических системах происходит модификация коллективных электронных возбуждений. Коллективное электронное возбуждение металлических наночастиц, размер которых меньше длины волны электромагнитного излучения в окружающей среде — локализованный поверхностный плазмон, — колеблется на частоте, меньшей частоты объемного плазмона в 
раз, тогда как частота поверхностного плазмона примерно в 
раз меньше, чем частота объемного плазмона. При совпадении частоты внешнего поля с частотой локализованного поверхностного плазмона возникает резонанс, приводящий к резкому усилению поля на поверхности частицы и увеличению сечения поглощения[1].
Свойства локализованных плазмонов критически зависят от формы наночастиц, что позволяет настраивать систему их резонансов на эффективное взаимодействие со светом или элементарными квантовыми системами[1].
В настоящее время явление поверхностного плазмонного резонанса широко применяется при создании химических и биологических сенсоров (биосенсоров). При контакте с биообъектами (ДНК, вирусы, антитела) плазмонные эффекты позволяют более чем на порядок увеличить интенсивность сигналов флуоресценции, то есть значительно расширяют возможности обнаружения, идентификации и диагностики биологических объектов[1].
Нанолазер на поверхностных плазмонах (спейзер)
Разработчики одного из самых перспективных направлений современных нанотехнологических исследований, нанофотоники, создали важнейшее устройство, которое может стать основным компонентом будущих оптических компьютеров.
Интернациональная команда физиков-экспериментаторов из трех американских университетов, Пардью, Норфолка и Корнелла, впервые продемонстрировала рабочий прототип нанолазера — самого маленького в истории генератора светового излучения, диаметр рабочей поверхности которого всего 44 нм. Это уникальное устройство называют также спазером или спейзером (от английской аббревиатуры SPASER — Surface Plasmon Amplification by Simulated Emission of Radiation), «усиление стимулированного излучения поверхностными плазмонами». Оно создает специфическую форму излучения — мощный поток света, стимулированный так называемыми поверхностными плазмонами (surface plasmons).
Активное участие в проекте принимал еще один выпускник МФТИ (кандидатская диссертация 1995 года), Евгений Нариманов, тоже перебравшийся в Университет Пардью, а в костяк исследовательской команды Владимира Шалаева в этом университете входят Владимир Драчев и Александр Кильдишев.
В разнообразных физических экспериментах, проводимых с начала 80-х годов прошлого века, поверхностные плазмоны возбуждали при помощи направленного к поверхности металла лазерного луча. Ученые установили, что при определенных условиях (точно подобранном угле лазера, варьировании толщины, химического состава соприкасающихся поверхностей и проч.) плазмонные волны могут колебаться с той же частотой, что и внешние электромагнитные.
При этом у обычных световых волн эффективная длина ограничена дифракционным пределом, то есть при использовании обычных материалов с положительным коэффициентом преломления наилучшее разрешение, которое возможно получить при их помощи, соответствует примерно половине длины набегающей волны света, используемой для создания изображения.
Плазмонные же волны распространяются на дистанции значительно короче, а значит, обладают длиной волны, намного меньше «магического предела».
Благодаря этому свойству поверхностных плазмонов у теоретиков возникла идея их дальнейшего практического использования: Создание совершенно нового класса миниатюрных электронных устройств, базирующихся на эффективном управлении физическими свойствами плазмонных волн, проявляемыми на наноуровне.
Теоретические основы такого устройства были впервые подробно изложены в 2003 году Марком Стокманом из Университета штата Джорджия (США) и израильтянином Давидом Бергманом (Тель-Авивский университет). упоминавшуюся аббревиатуру SPASER, которая расшифровывается как «усиление стимулированного излучения поверхностными плазмонами».
Разработанный группой Ногинова, Шалаева первый действующий прототип спейзера внешне представляет собой одиночную золотую наночастицу сферической формы, заключенную в кварцевую оболочку, поверхность которой была покрыта зеленым органическим красителем. Подобно обычному лазеру, для достижения необходимой энергии спейзеру требовалась специальная накачка внешним источником электромагнитного излучения наночастицы лазерными пучками. Облученная лазером наночастица возбуждала молекулы оболочечного красителя, и они, в свою очередь, передавали полученную энергию окружающим электронам, которые и создавали в итоге поверхностные плазмонные колебания. Возникшие благодаря плазмонным колебаниям расходящиеся электромагнитные волны обладали характерной для зеленого света длиной 531 нм. Эти расходящиеся волны излучали свет по всем направлениям, тогда как «нормальный» лазер должен производить узконаправленный луч света.
По словам Владимира Шалаева, зарегистрированные учеными характерные пики и подошвы световых волн свидетельствовали, что плазмонные колебания происходили синхронно, то есть они все-таки обладали важнейшим свойством лазерного излучения — когерентностью.
Михаил Ногинов полагает, что способность спейзера генерировать когерентные поверхностные плазмоны может оказаться в практическом плане даже более важной, чем его дальнейшее использование в качестве обычного нанолазера, поскольку открывает дорогу для разработки нового поколения сверхбыстрой наноэлектроники.
Стокман: «Спейзер — это самый маленький из возможных квантовый усилитель и генератор оптических полей на наноуровне, в теории его размеры можно уменьшить почти до одного нанометра. И благодаря тому, что он работает почти в тысячу раз быстрее, чем самый быстрый из имеющихся на сегодня транзисторов, на его основе вскоре могут быть сконструированы сверхбыстрые усилители, логические элементы и микропроцессоры, на несколько порядков превосходящие по своей производительности традиционные кремниевые аналоги».
Для реального применения в оптических компьтерах будущего, потребуется найти эффективные механизмы его «электрического сопряжения» с полупроводниками без использования внешней лазерной накачки. По крайне оптимистическим оценкам Марка Стокмана, первые гибридные устройства такого рода могут появиться уже в течение ближайшего года, но другие специалисты в данной области пока проявляют большую сдержанность.
Так, по мнению профессора Калифорнийского университета Риверсайда Сахрата Хизроева, несмотря на огромную значимость проделанной Шалаевым, Ногиновым и их коллегами работы, спейзеры, по всей видимости, найдут свое первое практическое применение не в качестве базовых элементов оптических компьютеров, а в производстве различных устройств магнитного накопления и хранения данных. «Магнитные носители, использующиеся сегодня для жестких дисков, фактически уже достигли физических пределов своих возможностей, и одним из наиболее перспективных способов увеличения их эффективности как раз и может стать применение нанолазеров для сверхточечного нагревания этих носителей в процессе записи информации».
Климов В.В. Наноплазмоника. УФН т178, №8, с.875-880. (2008)