Site Sponsors
  • Oxford Instruments Nanoanalysis - X-Max Large Area Analytical EDS SDD
  • Strem Chemicals - Nanomaterials for R&D
  • Park Systems - Manufacturer of a complete range of AFM solutions

"Transformational Plasmon Optics" Åbner Dør til Praktisk integreret, Compact Optical Databehandling Chips

Published on July 1, 2010 at 8:07 PM

Kraftfulde nye mikroskoper i stand til at løse DNA-molekyler med synligt lys, superhurtige computere, der bruger lys i stedet for elektroniske signaler at behandle oplysninger, og Harry Potteresque usynlighed kapper er blot nogle af de mange spændende løfter om transformation optik.

I denne spirende inden for videnskab, kan lysbølger styres på alle længder stordriftsfordele gennem den unikke strukturering af metamaterialer, kompositter typisk lavet af metaller og dielektrika - isolatorer, der bliver polariseret i overværelse af et elektromagnetisk felt. Ideen er at omdanne det fysiske rum, hvorigennem lyset rejser, undertiden benævnt "optisk rum," på en måde, der svarer til den måde, hvorpå det ydre rum er omdannet ved tilstedeværelsen af ​​et massivt objekt under Einsteins relativitetsteori.

Skematisk til venstre viser spredningen af ​​overfladen plasmon polaritoner (SPPs) på en metal-dielektriske interface med et enkelt protrusion. Skematisk på højre viser, hvordan SPP spredning er dramatisk undertrykt, når den optiske rummet omkring fremspring forvandles. (Billede venligst udlånt af Zhang gruppe)

Indtil videre transformation optik har leveret kun vink om, hvad fremtiden kan holde, med en stor vejspærring bliver hvor svært det er at ændre de fysiske egenskaber af metamaterialer på nano-eller subwavelength skala, hovedsagelig på grund af metaller. Nu, et team af forskere med den amerikanske Department of Energy (DOE) 's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har og University of California (UC) Berkeley vist, at det kunne være muligt at gå rundt at metal vejspærring. Ved hjælp af avancerede computersimuleringer, har de vist, at med kun moderate ændringer af den dielektriske del af en metamaterial, bør det være muligt at opnå praktiske transformation optik resultater. Nøglen til succes er kombinationen af ​​omdannelsen optik med en anden lovende nyt område af videnskaben er kendt som plasmonics.

En plasmon er en elektronisk overflade bølge, der ruller gennem det hav af overledning elektroner i et metal. Ligesom energien i bølger af lys er transporteres i kvantiserede partikel-lignende enheder kaldet fotoner, så også er plasmoniske energi transporteres i kvasi-partikler kaldet plasmoner. Plasmoner vil interagere stærkt med fotoner på grænsefladen af ​​en metamaterial er metal og dielektriske til at danne endnu en kvasi-partikel kaldes en overflade plasmon polariton (SPP). Manipulation af disse SPPs er kernen i den forbløffende optiske egenskaber af metamaterialer.

The Berkeley Lab-UC Berkeley team, ledet af Xiang Zhang, en ledende forsker med Berkeley Lab materialevidenskab Division og direktør for UC Berkeleys Nano-skala Science and Engineering Center (SINAM), modelleret, hvad de har døbt en "transformerende plasmon optik" tilgang , der involverede manipulation af dielektrisk materiale ved siden af ​​et metal, men ikke metallet i sig selv. Denne nye fremgangsmåde har vist sig at gøre det muligt for SPPs at rejse på tværs af ujævne og krumme overflader over et bredt spektrum af bølgelængder uden at lide væsentlig spredning tab. Ved hjælp af denne model. Zhang og hans team derefter designet et plasmoniske bølgeleder med en 180 graders bøjning, som ikke vil ændre energi eller egenskaber af en lysstråle, som det gør U-vending De har også designet en plasmoniske version af en Lüneburg linse, bolden-formede linser, som kan modtage og løse optiske bølger fra flere retninger på én gang.

"Siden metalegenskaber i vores metamaterialer er fuldstændig uændret, vores transformerende plasmon optik metode, som giver en praktisk måde til routing lys på meget små skalaer," Zhang siger. "Vores resultater afslører magt transformation optik teknik til at manipulere nær-felt optiske bølger, og vi forventer, at mange andre spændende plasmoniske enheder vil blive realiseret på grundlag af den metode, vi har indført."

Zhang er den tilsvarende forfatter af et papir, der beskriver denne forskning, der dukkede op i tidsskriftet Nano Letters med titlen "Transformational Plasmon Optics." Co-authoring papiret med Zhang var Yongmin Liu, Thomas Zentgraf og Guy Bartal.

Siger Liu, som var den ledende forfatter af papiret og er en post-ph.d.-forsker i Zhangs UC Berkeley-gruppen, "Ud over de 180 graders plasmoniske bøje og plasmoniske Luneburg linsen, bør vores tilgang også gøre det muligt for design og produktion af stråle splittere og skiftere, og retningsbestemt lys udledere. Teknikken bør også gælde for opførelsen af ​​integrerede, kompakt optisk databehandling chips. "

Zhang og hans forskergruppe har været på forkant med omdannelsen optik forskning siden 2008, hvor de blev den første gruppe til at fashion metamaterialer, som var i stand til at bøje lys bagud, en ejendom kendt som "negative brydning", som er uden fortilfælde i naturen. I 2009 skabte han og hans gruppe en "tæppe kappe" fra nanostruktureret silicium, der skjulte tilstedeværelsen af ​​objekter placeret under det fra optisk detektion.

For denne seneste arbejde, forlod Zhang og Liu med Zentgraf og Bartal fra den traditionelle omdannelsen optik fokus på udbredelse bølger og i stedet fokuseret på SPPs transporteres i nær-felt (subwavelength) region.

"Intensiteten af ​​SPPs er maksimal på grænsefladen mellem en metal og en dielektrisk medium og eksponentielt henfald væk fra grænsefladen," siger Zhang. "Da en væsentlig del af SPP energi transporteres i de flygtige marken uden for metal, der er i det tilstødende dielektriske medium, foreslog vi at kontrollere SPPs ved at holde metallet ejendom fast og kun ændre den dielektriske materiale baseret på omdannelsen optik teknik . "

Full-bølge simuleringer af forskellige forvandlet designs viste sig den foreslåede metode af Zhang og hans kolleger korrekt. Det blev endvidere påvist, at hvis en forsigtig transformerende plasmon optik ordningen er taget forvandlet dielektriske materialer kan isotrope og ikke-magnetiske, hvilket yderligere øger det er praktisk at denne fremgangsmåde. Den demonstration af en 180 graders bøjning plasmoniske bøjning med næsten perfekt transmission var især betydelig.

"Plasmoniske bølgeledere er en af ​​de vigtigste komponenter / elementer i integrerede plasmoniske enheder," siger Liu. "Men krumninger ofte føre til stærke stråling tab, der reducerer længden til at overføre et optisk signal. Vores 180 graders bøjning plasmoniske bøjning er helt sikkert vigtig og vil være nyttige i den fremtidige udformning af integrerede plasmoniske enheder. "

Sammenlignet med silicium-baserede fotoniske enheder brugen af ​​plasmonics kan bidrage til yderligere skala-down den samlede størrelse af fotoniske enheder og øge samspillet mellem lys med bestemte materialer, der skulle forbedre ydeevnen.

"Vi forestiller os, at det unikke design fleksibiliteten i den transformerende plasmon optik fremgangsmåde kan åbne en ny dør til nano-optik og fotoniske kredsløb design," Zhang siger.

Denne forskning blev støttet af US Army Research Office og National Science Foundation er Nano-skala Science and Engineering Center.

Last Update: 3. October 2011 01:56

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit