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"Transformational Plasmon Optik" öffnet Tür für Praktische integrierte, kompakte Optical Data-Processing-Chips

Published on July 1, 2010 at 8:07 PM

Leistungsstarke neue Mikroskope in der Lage, DNA-Moleküle mit sichtbarem Licht, superschnellen Computern, die Licht als mit elektronischen Signalen, Informationen zu verarbeiten, und Harry Potteresque Tarnumhänge zu lösen sind nur einige der vielen spannenden verspricht der Transformation Optik.

In diesem wachsenden Feld der Wissenschaft, Lichtwellen in allen Längen von Größenvorteilen durch die einzigartige Strukturierung von Metamaterialien gesteuert werden kann, Verbundwerkstoffe in der Regel aus Metallen und Dielektrika gemacht - Isolatoren, dass polarisiertes in Anwesenheit eines elektromagnetischen Feldes zu werden. Die Idee ist, den physischen Raum zu verwandeln, durch die das Licht, das manchmal als "optische Raum", bezeichnet in einer ähnlichen Weise wie die Art und Weise, in der Weltraum durch die Anwesenheit eines massiven Objektes unter Einsteins Relativitätstheorie umgewandelt wird.

Schematische auf der linken Seite zeigt die Streuung der Oberflächenplasmonen (SPP) auf einem Metall-Dielektrikum-Schnittstelle mit einem Vorsprung. Schematische auf der rechten Seite zeigt, wie SPP Streuung drastisch unterdrückt, wenn der optische Raum um den Vorsprung umgewandelt wird. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Zhang-Gruppe)

Bisher Transformation Optik haben nur Hinweise darauf, was die Zukunft zu liefern, mit einer großen Straßensperre wird, wie schwierig es ist, die physikalischen Eigenschaften von Metamaterialien im Nano-oder Sublambdabereich Maßstab ändern wird, vor allem weil der Metalle. Nun, ein Team von Forschern mit dem US Department of Energy (DOE) 's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) haben und die University of California (UC) Berkeley gezeigt, dass es möglich sein könnte, um das Metall Straßensperre gehen. Mit ausgefeilten Computersimulationen haben sie gezeigt, dass mit nur moderaten Veränderungen der dielektrischen Komponente eines Metamaterial, sollte es möglich sein, um praktische Umsetzung Optik zu erzielen. Der Schlüssel zum Erfolg ist die Kombination von Transformation Optik mit einem anderen viel versprechenden neuen Bereichen der Wissenschaft als Plasmonik bekannt.

Ein Plasmon ist ein elektronisches Oberflächenwellen, die durch das Meer der Leitungselektronen auf einem Metall-Rollen. So wie die Energie in Lichtwellen in quantisierten Teilchen wie Photonen genannt Einheiten durchgeführt wird, so ist auch Plasmonen Energie in Quasiteilchen genannten Plasmonen durchgeführt. Plasmonen wird eine starke Wechselwirkung mit Photonen an der Schnittstelle von einem Metamaterial Metall-und Dielektrikum bilden ein weiteres Quasi-Teilchen eine Oberflächen-Plasmon-Polariton (SPP) genannt. Manipulation dieser SPP ist das Herzstück der erstaunlichen optischen Eigenschaften von Metamaterialien.

Die Berkeley Lab-UC Berkeley-Team von Xiang Zhang, ein Principal Investigator mit Berkeley Lab Materials Sciences Division und Direktor der UC Berkeley ist Nano-Maßstab Science and Engineering Center (Sinam), modelliert, was sie haben eine "transformierende Plasmon Optik"-Ansatz genannt führte dass beteiligt Manipulation des dielektrischen Materials angrenzend an ein Metall, aber nicht das Metall selbst. Dieser neuartige Ansatz wurde gezeigt, machen es möglich, SPP, um über unebene und gekrümmte Flächen über einen weiten Bereich von Wellenlängen Reisen ohne deutliche Streuverluste. Unter Verwendung dieses Modells. Zhang und sein Team dann entwarf ein Plasmonen Wellenleiter mit einer 180-Grad-Kurve, die nicht verändert wird die Energie oder die Eigenschaften eines Lichtstrahls, da es die U-Turn macht Sie entwarf auch einen plasmonischen Version einer Luneburg-Linse, die kugelförmige Linsen, zu empfangen und zu lösen optischen Wellen kann aus mehreren Richtungen auf einmal.

"Da die Metall-Objekte in unserer Metamaterialien völlig unverändert sind, unser transformierende Plasmon Optik Methodik einen praktischen Weg für das Routing von Licht auf sehr kleinen Skalen bietet", sagt Zhang. "Unsere Ergebnisse zeigen die Kraft der Transformation Optik Technik, um Nahfeld-optische Wellen zu manipulieren, und wir erwarten, dass viele andere faszinierende Plasmonen-Geräte basieren auf der Methodik haben wir eingeführt, verwirklicht werden."

Zhang ist der jeweilige Autor einer Veröffentlichung dieser Forschung, die in der Fachzeitschrift Nano Letters unter dem Titel erschienen "Transformational Plasmon Optik." Co-Authoring das Papier mit Zhang wurden Yongmin Liu, Thomas Zentgraf und Guy Bartal.

, Sagt Liu, der führende Autor des Papiers war und ist ein Post-Doktorand in Zhangs UC Berkeley-Gruppe "Zusätzlich zu den 180-Grad-Plasmonen beugen und die Plasmonen Luneburg-Linse, sollte unser Ansatz auch den Entwurf und die Herstellung von Balken Splitter und Schalthebel, und gerichtetem Licht-Emitter. Die Technik soll auch für den Bau von integrierten, kompakten optischen Datenverarbeitung Chips. "

Zhang und seine Arbeitsgruppe haben an der Spitze der Transformation Optik-Forschung seit 2008, als sie die erste Gruppe, die Mode Metamaterialien, die Licht nach hinten beugen waren, wurden, eine Eigenschaft als "negative Brechung", die beispiellos in der Natur bekannt ist. Im Jahr 2009 schuf er mit seiner Gruppe einen "Teppich Mantel" von nanostrukturierten Silizium, dass die Anwesenheit von Objekten unter sie aus optischen Detektion platziert verborgen.

Für diese jüngste Arbeit, ging Zhang und Liu mit Zentgraf und Bartal von der traditionellen Transformation Optik Fokus auf Fortpflanzung Wellen und stattdessen auf die SPP in Nahfeld-(Sublambdabereich) Region durchgeführt konzentriert.

"Die Intensität der SPP ist maximal an der Schnittstelle zwischen einem Metall und einem Dielektrikum und exponentiell abklingt weg von der Oberfläche", sagt Zhang. "Da ein erheblicher Teil der SPP Energie im evaneszenten Feld außerhalb des Metalls, dh in der benachbarten dielektrischen Medium durchgeführt wird, haben wir vorgeschlagen, um SPP, indem sie das Metall Eigentum feste Kontrolle und nur Veränderung der dielektrischen Material auf die Transformation Optik-Technik basiert . "

Full-wave Simulationen verschiedener verwandelt Designs erwies sich die vorgeschlagene Methodik von Zhang und seine Kollegen zu korrigieren. Es wurde ferner gezeigt, dass ein umsichtiger transformierende Plasmon Optik Schema getroffen wird die transformierte dielektrischen Materialien können isotrope und nichtmagnetischen, dies erhöht die Praktikabilität dieses Ansatzes. Der Nachweis einer 180-Grad-Kurve plasmonischen Kurve mit nahezu perfekte Übertragung war besonders bedeutsam.

"Plasmonic Wellenleiter sind eine der wichtigsten Komponenten / Elemente in integrierten Plasmonen-Geräte", sagt Liu. "Allerdings Krümmungen führen häufig zu starken Strahlung Verlust, dass die Länge für die Übertragung eines optischen Signals reduziert. Unsere 180-Grad-Kurve biegen Plasmonen ist definitiv wichtig und werden in die zukünftige Gestaltung von integrierten plasmonischen Geräte nützlich. "

Verglichen mit Silizium-basierten photonische Bauelemente die Verwendung von Plasmonik könnte zu weiteren Scale-down die Gesamtgröße der photonischen Bauelementen zu helfen und erhöhen die Wechselwirkung von Licht mit bestimmten Materialien, die die Leistung verbessern sollte.

"Wir sehen, dass die einzigartige Flexibilität im Design der transformierende Plasmon Optik Ansatz könnte eine neue Tür zur Nano-Optik und Photonik Schaltungsdesign zu eröffnen", sagt Zhang.

Diese Arbeit wurde von der US Army Research Office und die National Science Foundation der Nano-Skala Science and Engineering Center unterstützt.

Last Update: 15. October 2011 01:09

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