Технология передачи электромагнитных волн по наноскопическим структурам открывает дорогу к созданию сверхбыстрых компьютеров и высокочувствительных молекулярных датчиков

Сегодня весь земной шар опутан оптическими волокнами, по которым передаются колоссальные потоки информации, закодированной в световых сигналах. Устройства, манипулирующие видимым светом и другими электромагнитными волнами, могли бы прийти на смену электронным цепям в микропроцессорах и других микросхемах. К сожалению, дифракция накладывает серьезные ограничения на размеры и характеристики фотонных приборов: ширина оптического волокна, из-за интерференции световых волн, должна быть не меньше половины их длины. Для передачи оптических сигналов внутри микросхем скорее всего будет использоваться инфракрасный свет с длиной волны около 1 500 нм. Минимальная ширина световода в этом случае будет слишком велика: транзисторы современных чипов состоят из элементов размером не более 100 нм.

Однако недавно исследователи разработали новый способ передачи оптических сигналов через наноскопические структуры. В 1980-х гг. было экспериментально установлено, что при определенных условиях между световыми волнами, направленными на границу раздела между металлом и диэлектриком, и подвижными электронами на поверхности металла возникает резонансное взаимодействие. Иными словами, электроны начинают колебаться в такт с колебаниями электромагнитного поля над металлом. В результате возникают поверхностные плазмоны — волны плотности электронов, которые распространяются вдоль границы раздела как рябь на поверхности пруда, потревоженной упавшим камнем.

Рис.1.Луч света, падающий на поверхность металла, создает плазмон — волны электронной плотности, с помощью которых можно передавать огромные потоки информации. Если свет фокусируется на поверхности с кольцевой канавкой, возникают концентрические волны с кольцами высокой и низкой электронной плотности, как показано на рисунке

За последнее десятилетие исследователи пришли к выводу, что творческий подход к созданию границы между металлом и диэлектриком позволяет получать поверхностные плазмоны с той же частотой, что и внешние электромагнитные волны, но с намного меньшей длиной волны. Таким образом, плазмоны могут распространяться по наноскопическим межсоединениям, перенося информацию между частями микропроцессора. Плазмонные межсоединения стали бы настоящим подарком для разработчиков микросхем, которые давно научились уменьшать размеры и повышать быстродействие транзисторов, но до сих пор не изобрели электронные цепи, быстро передающие информацию внутри чипа.

В 2000 г. мы с коллегами из Калифорнийского технологического института назвали зарождающееся направление плазмоникой, понимая, что дальнейшие исследования приведут к появлению совершенного нового класса устройств. Их можно будет использовать для повышения разрешающей способности микроскопов, эффективности светодиодов и чувствительности химических и биологических детекторов. Уже рассматривается вопрос о применении плазмонного резонансного поглощения для лечения злокачественных опухолей. Теоретически плазмонные материалы могут даже изменять электромагнитные поля вокруг объекта и делать его невидимым. Кроме того, плазмоника должна пролить свет на тайны нано-мира.

ОБЗОР: ПЛАЗМОНИКА Используя свет для создания волн электронной плотности, названных плазмонами, можно передавать оптические сигналы по наноскопическим проводникам. Плазмонные цепи обладают колоссальной пропускной способностью, и поэтому их можно использовать для передачи огромных объемов информации внутри сверхбыстрых микросхем. Применение плазмонных компонентов также позволит повысить разрешение микроскопов, эффективность светоизлучающих диодов и чувствительность химических и биологических датчиков. Некоторые ученые считают, что плазмонные материалы способны искривлять электромагнитные поля вокруг объектов, делая их невидимыми.

Сокращение длины волны

Тысячелетиями алхимики и стеклодувы невольно использовали плазмонные эффекты, когда создавали витражи и красочные кубки, в стекле которых содержались мельчайшие металлические частицы. Самый известный пример — чаша Ликурга, римский кубок, датируемый IV в. н.э. и хранящийся сейчас в Британском музее. Из-за плазмонного возбуждения электронов в металлических частицах, содержащихся в стеклянной матрице, материал кубка поглощает и рассеивает синий и зеленый свет, т.е. коротковолновую часть видимого спектра. Если рассматривать чашу в отраженном свете, рассеивание на плазмонах придает ей зеленоватый оттенок, но если внутрь поместить источник белого света, стекло кажется красным, потому что пропускает только длинные световые волны и поглощает короткие.

Исследования поверхностных плазмонов начались в 1980х гг., когда химики стали изучать это явление с помощью рамановской спектроскопии, при которой для определения структуры образца по молекулярным колебаниям наблюдают рассеяние на нем лазерного света. В 1989 г. Томас Эббезен (Thomas Ebbesen) из научно-исследовательского института японской фирмы NEC обнаружил, что тонкая золотая пленка с миллионами микроскопических отверстий по непонятным причинам пропускает больше света, чем следовало ожидать. Девять лет спустя Эббезен пришел к выводу, что передачу электромагнитной энергии усиливали поверхностные плазмоны.

Новое развитие плазмоника получила после открытия так называемых метаматериалов, которым колебания электронов придают поразительные оптические свойства (см.: Пендри Д, Смит Д. В поисках суперлинзы // ВМН, № 11, 2006). Прогрессу плазмоники также способствовали постоянное увеличение вычислительных мощностей, позволяющее ученым точно моделировать сложные электромагнитные поля, и появление новых методов создания наноскопических структур, в том числе сверхмалых плазмонных устройств.

 

На первый взгляд, металлические структуры не годятся для передачи световых сигналов из-за больших оптических потерь в металлах. Электроны, колеблющиеся в электромагнитном поле, сталкиваются с атомами кристаллической решетки и быстро рассеивают энергию поля. Но на границе между тонкой пленкой металла и диэлектриком потери плазмонов меньше, чем в толстом металлическом слое, потому что поле распространяется по непроводящему материалу, где нет свободных электронов, которые могли бы колебаться, и, следовательно, нет никаких столкновений, рассеивающих энергию. Таким образом, плазмоны оказываются привязанными к поверхности металла, примыкающей к диэлектрику: например, в «бутерброде» из диэлектрика и металла поверхностные плазмоны распространяются только в плоскости раздела двух сред.

Поскольку плоские плазмонные структуры действуют как волноводы, направляющие электромагнитные волны вдоль границы металла с диэлектриком, их можно использовать для передачи сигналов внутри чипа. Несмотря на то, что оптический сигнал испытывает в металле большие потери, чем в диэлектрике (например, в стекле), плазмон проходит в тонкой пленке металлического волновода несколько сантиметров, прежде чем затухнуть. Наибольшая дальность распространения достигается тогда, когда волновод работает асимметрично и выталкивает большую часть электромагнитной энергии из направляющей металлической пленки в окружающий диэлектрик, тем самым снижая потери. Поскольку электромагнитные поля на верхней и нижней поверхности металла взаимодействуют друг с другом, частоты и длины волн плазмонов можно регулировать, изменяя толщину пленки.

В 1990х гг. в исследовательских группах Сергея Божевольного из Ольборгского университета в Дании и Пьера Берини (Pierre Berini) из Оттавского университета были разработаны плоские плазмонные компоненты, выполняющие те же функции (например, расщепление передаваемой волны), что и чисто диэлектрические устройства. Такие структуры могут пригодиться для передачи данных внутри микросхемы, но электромагнитные поля, сопровождающие плазмоны, слишком велики, чтобы передавать сигналы по наноскопическим внутренностям чипа.

 

Свет в крошечных проводниках

Плазмоника еще совсем молода, но ученые уже разработали опытные образцы устройств, демонстрирующих перспективы этой технологии.

 

ПЛОСКИЙ ВОЛНОВОД

Плазмоны всегда перемещаются по границе между металлом и диэлектриком. Свет, сфокусированный на прямой канавке в металле, создает плазмоны, которые распространяются в тонком слое его поверхности (вдоль границы между металлом и воздухом). В плоском волноводе плазмон может пройти несколько сантиметров — вполне достаточно для передачи сигналов из одной части микросхемы в другую. Однако довольно большая волна будет создавать помехи другим сигналам в наноскопических внутренностях чипа.

 

ЩЕЛЕВОЙ ПЛАЗМОННЫЙ ВОЛНОВОД

Чтобы сократить размеры плазмонного проводника, нужно окружить диэлектрик металлом. В таком щелевом волноводе длина световой волны сокращается более чем в десять раз. Ученые уже изготовили щелевые волноводы шириной всего 50 нм, что сопоставимо с размерами электронных элементов современных микросхем. По такой плазмонной цепи можно передавать намного больше данных, чем по электрической, но сигнал в ней затухает на расстоянии 100 мкм.

 

БОЛЕЕ БЫСТРЫЙ ЧИП

С помощью щелевых волноводов можно значительно повысить быстродействие микросхем. На рисунке слева относительно большие диэлектрические волноводы подводят оптические сигналы к плазмонным переключателям (плазмонсторам), соединенным с обычными электронными транзисторами. Плазмонсторы состоят из щелевых волноводов шириной 100 нм, сужающихся до 20 нм в точках пересечения

 

Чтобы создать плазмоны, распространяющиеся по нанопроводникам, исследователи рассмотрели волноводы более сложной формы, в которых волна втискивается в узкое пространство, за счет чего ее длина уменьшается. В конце 1990х гг. наша группа и команда Йоахима Кренна (Joachim Krenn) из Грацкого университета в Австрии одновременно начали работу по созданию таких волноводов для поверхностных плазмонов с уменьшенной длиной волны. Мой коллега из Калифорнийского технологического института Штефан Майер (Stefan Maier) создал структуру, состоящую из линейных цепей золотых точек диаметром менее 100 нм. Луч видимого света с длиной волны 570 нм вызывал в точках резонансные колебания и создавал поверхностные плазмоны, которые перемещались вдоль цепей, ограниченные плоской дорожкой высотой 75 нм. Группа в Граце достигла похожих результатов и получила картину плазмонов, распространяющихся по точечным цепям. Однако потери на поглощение в них оказались довольно высокими: сигнал затухал после прохождения от нескольких сотен до нескольких тысяч нанометров, поэтому такие волноводы подходят только для очень коротких межсоединений.

К счастью, потери можно снизить, вывернув плазмонный волновод наизнанку и окружив диэлектрик металлом. В получившемся плазмонном щелевом волноводе длина волны плазмонов зависит от толщины диэлектрика. Моими коллегами из Калифорнийского технологического института и группой Марка Бронджерсма (Mark Brongersma) из Стэнфордского университета было показано, что плазмонные щелевые волноводы могут передавать сигналы на десятки микрон. Хидеки Миядзаки (Hideki Miyazaki) из японского Национального института материаловедения получил поразительный результат, втиснув красный свет (с длиной волны в свободном пространстве 651 нм) в плазмонный щелевой волновод толщиной 3 нм и шириной 55 нм. Длина волны поверхностного плазмона, распространяющегося в таком устройстве, составила всего 51 нм, т.е. примерно 8% от длины волны в свободном пространстве.

Таким образом, возбуждая материалы видимым светом, можно получать сигналы в мягком рентгеновском диапазоне с длинами волн между 10 нм и 100 нм. Длину волны можно уменьшить более чем в 10 раз относительно ее величины в вакууме, и при этом частота сигнала остается неизменной. (Произведение длины волны на ее частоту остается равным скорости света в среде, поскольку электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль границы металл — диэлектрик, замедляются.) Поразительная способность сокращать длину волны открывает дорогу к созданию наноскопических плазмонных структур, которые могли бы заменить чисто электронные схемы из проводников и транзисторов.

Для печати микросхем на кремниевых подложках сейчас используется литография. Аналогичная технология подойдет и для серийного выпуска крошечных плазмонных устройств с множеством узких диэлектрических полос и промежутков между ними. Полосковые системы будут направлять волны положительных и отрицательных зарядов вдоль металлической поверхности. Колебания плотности электронов очень похожи на переменный ток, распространяющийся по обычному проводу. Но поскольку частота оптического сигнала гораздо выше несущей частоты электрического, плазмонное межсоединение в состоянии передавать намного больше данных. Кроме того, поскольку электрический заряд не перемещается по плазмонным цепям (электроны периодически собираются в сгустки и разбегаются, а не текут в одном направлении), они не обременены паразитными сопротивлениями и емкостями, ограничивающими пропускную способность электрических межсоединений.

Плазмонные схемы станут еще быстрее, когда исследователи изобретут плазмонстор — плазмонное устройство, аналогичное транзистору. Наша лаборатория в Калифорнийском технологическом институте и другие группы недавно разработали маломощный вариант такого прибора. Когда плазмонсторы будут усовершенствованы, из них можно будет собирать сверхбыстрые сигнальные процессоры, появление которых за 10–20 лет решительно изменит всю вычислительную технику.

 

Плазмоны против рака

Для уничтожения раковых опухолей можно использовать свойства плазмонов. Введенные в кровоток наносферы (частички кварца диаметром 100 нм, покрытые тонким слоем золота) концентрируются в быстрорастущей опухоли. Свет инфракрасного лазера проходит через кожу и разогревает наносферы, возбуждая в них резонансные колебания электронов. Высокая температура убивает клетки опухоли, а окружающие здоровые ткани остаются.

 

Наносферы и плащ-невидимка

Спектр применения плазмонных устройств выходит далеко за рамки вычислительной техники. Наоми Халас (Naomi Halas) и Питер Нордлендер (Peter Nordlander) из Университета Райса разработали наносферы, которые состоят из тонкого слоя золота толщиной 10 нм, нанесенного на поверхность кварцевых частичек диаметром 100 нм. Облучение их электромагнитными волнами вызывает колебания электронов в золотой оболочке. Поскольку поля на ее внутренней и внешней поверхности взаимодействуют, длина волны, при которой происходит резонансное поглощение энергии, зависит от размера сферы и толщины золотого слоя. Таким образом, можно проектировать наносферы, выборочно поглощающие волны с длинами от нескольких сотен нанометров (синий край видимого спектра) до 10 мкм (ближняя инфракрасная область).

Избирательность наносфер превращает их в эффективное средство лечения рака. В 2004 г. Халас и ее коллега Дженнифер Уэст (Jennifer West) ввели в кровоток мышей со злокачественными опухолями плазмонные частицы и обнаружили, что они не токсичны. Более того, наносферы сконцентрировались не в здоровых тканях тела грызунов, а в быстрорастущих злокачественных опухолях, к которым интенсивнее поступает кровь. (В принципе, наносферы можно присоединять к антителам, чтобы гарантировать, что они будут нацелены на раковые образования.)

К счастью, ткани живых организмов прозрачны для инфракрасного излучения в определенном диапазоне длин волн. Когда исследователи направляли свет инфракрасного лазера через кожу мышей на опухоли, резонансное поглощение энергии во внедренных наносферах поднимало температуру злокачественных образований с 37 °С до 45 °С. Светотепловое нагревание убивало раковые клетки, оставляя окружающую здоровую ткань нетронутой.

У мышей, которых лечили наносферами, все признаки рака исчезли в течение десяти дней, тогда как у животных из контрольных групп опухоли продолжали быстро расти. Хьюстонская фирма Nanospectra Biosciences сейчас добивается от Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США разрешения на проведение клинических испытаний терапии с использованием наносфер на пациентах с раком шеи и головы.

Увеличения яркости светодиодов

Плазмонные материалы можно использовать для увеличения яркости светодиодов до уровня яркости ламп накаливания. Еще в 1980х гг. исследователи обнаружили, что плазмонное усиление электрического поля на границе металл — диэлектрик повышает интенсивность излучения люминесцентных красок, расположенных вблизи поверхности металла. Позже стало очевидно, что такой тип усиления свечения под действием поля может значительно увеличить интенсивность излучения квантовых точек и квантовых ямок (миниатюрных полупроводниковых структур, которые поглощают и испускают свет), повышая, таким образом, эффективность и яркость твердотельных светодиодов. В 2004 г. мой коллега по Калифорнийскому технологическому институту Аксель Шерер (Axel Scherer) вместе с сотрудниками японской корпорации Nichia продемонстрировал, что покрытие поверхности светодиода из нитрида галлия плотной сеткой плазмонных наночастиц (состоящих из серебра, золота или алюминия) приводит к увеличению интенсивности испускаемого света в 14 раз.

РИМСКИЙ КУБОК ЛИКУРГА, изготовленный в IV в. н.э., изменяет свой цвет из-за плазмонного возбуждения металлических частиц в стеклянной матрице. Если зеленоватую чашу осветить изнутри, она будет казаться красной

Плазмонные наночастицы можно использовать для создания кремниевых светодиодов. Они были бы намного дешевле, чем обычные светодиоды из нитрида или арсенида галлия, но сейчас их не производят из-за низкой интенсивности излучения света. Наша группа из Калифорнийского технологического института в сотрудничестве с командой Альберта Полмана (Albert Polman) из Института атомной и молекулярной физики Голландского фонда фундаментальных исследований материи показала, что объединение серебряных или золотых плазмонных наноструктур с матрицами кремниевых квантовых точек существенно повышает интенсивность испускаемого ими света. Кроме того, частота, на которой происходит усиленное излучение, зависит от размера наночастиц. Согласно результатам наших вычислений, тщательной настройкой частоты плазмонного резонанса и точным подбором расстояния между частицами металла и полупроводником можно добиться увеличения интенсивности излучения более чем в сто раз. В результате кремниевые светодиоды будут светиться так же ярко, как и традиционные.

Исследователи уже занялись разработкой плазмонного аналога лазера. Марк Стокман (Mark Stockman) из Университета Джорджии и Дэвид Бергман (David Bergman) из Тель-Авивского университета описали такое устройство, которое они назвали спазер (от англ. SPASER — Surface Plasmon Amplification of Stimulated Emission of Radiation, т.е. усиление стимулированного излучения поверхностными плазмонами). Хотя спазер пока существует только в теории, исследователи предлагают различные способы его изготовления с использованием полупроводниковых квантовых точек и металлических частиц. Энергию излучения квантовых точек нужно будет преобразовать в плазмоны, которые будут усиливаться в плазмонном резонаторе. Поскольку плазмоны, созданные спазером, будут сфокусированы намного лучше, чем обычный луч лазера, устройство сможет потреблять минимальное количество энергии и селективно возбуждать очень маленькие объекты. С помощью спазеров планируется повысить чувствительность спектроскопов и создать детекторы, реагирующие на ничтожные концентрации вредных химикалий или опасных вирусов.

Возможно, самым удивительным потенциальным применением плазмоники было бы изобретение плаща-невидимки. В 1897 г. вышла в свет книга Герберта Уэллса «Человек-невидимка», главный герой которой сделал коэффициент преломления своего тела равным коэффициенту преломления воздуха и стал невидимым. Возбуждение плазмонной структуры излучением на ее резонансной частоте может сделать ее коэффициент преломления равным коэффициенту преломления для воздуха, и тогда она перестанет преломлять и отражать свет. Можно покрыть такую конструкцию материалом, усиливающим оптический сигнал подобно резонатору спазера, чтобы возместить потери на поглощение и сделать ее невидимой, по крайней мере, в определенном диапазоне частот.

Однако настоящий плащ-невидимка должен скрывать любой объект и действовать на всех частотах видимого света. Создать такое устройство чрезвычайно сложно, но многие физики считают, что это возможно. В 2006 г. Джон Пендри (John B. Pendry) из Лондонского имперского колледжа показал, что теоретически оболочка из метаматериала могла бы изменить пути проходящих через нее электромагнитных волн, отклоняя их от находящейся внутри нее сферической области.

Несмотря на то, что человек-невидимка, наверное, никогда не станет реальностью, богатство возможных оптических свойств притягивает внимание исследователей к плазмонике. Изучая сложные взаимодействия между электромагнитными волнами и свободными электронами, исследователи обнаруживают новые возможности для передачи данных в интегральных схемах, для освещения наших домов и для борьбы с раком. Дальнейшее исследование удивительных плазмонных эффектов наверняка приведет к еще более захватывающим открытиям и изобретениям.

ПЛАЩ-НЕВИДИМКА

Теоретически можно создать плазмонные материалы, которые могли бы делать объекты невидимыми. Преломляясь в толстой оболочке из метаматериала с необычными оптическими свойствами, электромагнитное излучение могло бы огибать расположенный внутри нее космический корабль. В результате направленный на него телескоп увидел бы лишь свет далекой галактики

ОБ АВТОРЕ

Гарри Этуотер (Harry A. Atwater) — профессор прикладной физики и материаловедения Калифорнийского технологического института. Он занимается фотонными вычислительными устройствами, методами оптической записи информации и проблемами возобновляемых источников энергии. Помимо плазмонных наноструктур его научная группа разрабатывает новые материалы, позволяющие использовать солнечную энергию для генерации электричества и выработки химического топлива. Источник: "В МИРЕ НАУКИ", август 2007 № 8

15:33, 21 июня 2013