Технология наноплазмоникиНаноплазмоника Плазма твердых тел Плазмоны Плазмонный резонанс Нанолазер на поверхностных плазмонах (спейзер) Устройства наноплазмоники Плазмонный графеновый чип Применения устройств наноплазмоники Наноплазмоника 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 Плазмоны Для их описания вводят квазичастицу- квант плазменных колебаний называемую плазмоном с энергией У границы проводник—вакуум возникает поверхностный плазмон –возбуждение, затухающее в глубь среды, частота которого в
Плазмонный резонанс 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. ЛИТЕРАТУРА [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 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). Краткий отчет о полученных исследователями результатах был представлен в онлайн-выпуске журнала Nature от 16 августа2013г. Среди ведущих авторов отчета, координировавших проект, два выходца из России — профессор Университета Пардью (штат Индиана) Владимир Шалаев и профессор Норфолкского университета (штат Виржиния) Михаил Ногинов. Владимир Шалаев - выпускник Красноярского государственного университета, в 1983 году защитил там же кандидатскую диссертацию и затем до 1990 года работал в красноярском Институте физики им. Л. В. Киренского. Михаил Ногинов окончил в 1985 году Московский физико-технологический институт (МФТИ) и стал кандидатом физматнаук в Институте общей физики им. А. М. Прохорова (ИОФ РАН). 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». Устройство спейзера 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».
Литература Климов В.В. Наноплазмоника. УФН т178, №8, с.875-880. (2008)
Применения устройств наноплазмоники
ПЛАЗМОНИКА Гарри Этуотер
|
. Плазма в среднем электрически нейтральна. Засчет флуктуаций в ней возникают плазменные колебания.
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.
раз меньше частоты объемного плазмона 
. Дисперсия этих плазмонов определяется зависимостью частоты от двумерного волнового вектора 
, лежащего в плоскости поверхности. Поверхностный плазмон содержит продольную составляющую электрического поля лежащую на поверхности и поперечную составляющую электрического поля, нормальную к поверхности. Поверхностные плазмоны — это кванты колебаний плотности свободных электронов металла, распространяющиеся только вдоль его границы с диэлектриком или вакуумом.
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].
