«Μετασχηματιστική Plasmon Optics" ανοίγει την πόρτα για να Πρακτικές Ολοκληρωμένη, Compact Optical Data Processing-Chips

Published on July 1, 2010 at 8:07 PM

Ισχυρό νέα μικροσκόπια σε θέση να επιλύσει τα μόρια DNA με ορατό φως, Superfast υπολογιστές που χρησιμοποιούν φως αντί για τα ηλεκτρονικά σήματα για την επεξεργασία πληροφοριών, και ο Χάρι Potteresque μανδύες αορατότητας είναι μερικές μόνο από τις πολλές υποσχέσεις συναρπαστική του οπτική μεταμόρφωση.

Σε αυτό το φλέγον τομέα της επιστήμης, τα κύματα του φωτός μπορεί να ελεγχθεί σε όλα τα μήκη κλίμακας με τη μοναδική δομή του μετα-υλικά, σύνθετα υλικά συνήθως από μέταλλα και διηλεκτρικά - μονωτικά υλικά που έχουν πολώσει την παρουσία του ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Η ιδέα είναι να μετατρέψουν τον φυσικό χώρο μέσα από την οποία ταξιδεύει το φως, μερικές φορές αναφέρεται ως "οπτική χώρο," με τρόπο παρόμοιο με τον τρόπο με τον οποίο το διάστημα θα μεταμορφωθεί από την παρουσία του ένα τεράστιο αντικείμενο κάτω από τη θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν.

Σχηματική στα αριστερά δείχνει τη διασπορά των plasmon επιφάνεια polaritons (SPPs) σε μια διασύνδεση μεταλλικό διηλεκτρικό με ένα μόνο προεξοχή. Σχηματική στα δεξιά δείχνει πώς SPP σκέδαση είναι δραματικά καταστέλλεται όταν το οπτικό χώρο γύρω από την προεξοχή μετατρέπεται. (Χορηγία εικόνας από Zhang ομάδας)

Μέχρι στιγμής οπτική μεταμόρφωση έχουν παραδοθεί μόνο υπαινιγμούς ως προς το τι επιφυλάσσει το μέλλον μπορεί να κρατήσει, με ένα σημαντικό εμπόδιο είναι το πόσο δύσκολο είναι να τροποποιήσει τις φυσικές ιδιότητες των μεταϋλικών σε νανομετρική ή subwavelength κλίμακα, κυρίως λόγω των μετάλλων. Τώρα, μια ομάδα ερευνητών με το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) 's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) και το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας (UC) Berkeley έχουν δείξει μπορεί να είναι δυνατό να πάει γύρω από αυτό το οδόφραγμα μέταλλο. Χρησιμοποιώντας εξελιγμένα προσομοιώσεις σε υπολογιστή, έχουν αποδείξει ότι μόνο με μέτρια τροποποιήσεις του στοιχείου διηλεκτρικό μιας μετα-υλικό, θα πρέπει να είναι δυνατόν να επιτευχθούν πρακτικές οπτική μεταμόρφωση αποτελέσματα. Το κλειδί της επιτυχίας είναι ο συνδυασμός της οπτική μεταμόρφωση με άλλο πολλά υποσχόμενο νέο πεδίο της επιστήμης είναι γνωστή ως plasmonics.

Μια plasmon είναι ένα ηλεκτρονικό κυμάτων επιφανείας που κυλά μέσα από τη θάλασσα των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας σε ένα μέταλλο. Ακριβώς όπως η ενέργεια κατά κύματα του φωτός γίνεται σε κβαντισμένες σωματιδίων-όπως μονάδες που ονομάζονται φωτόνια, έτσι, επίσης, είναι plasmonic ενέργεια πραγματοποιείται σε οιονεί σωματίδια που ονομάζονται πλασμονίων. Πλασμονίων θα αλληλεπιδρούν έντονα με τα φωτόνια στη διασύνδεσή του μετάλλου και διηλεκτρικό ένα μετα-υλικό για να σχηματίσουν μια ακόμη οιονεί σωματίδιο που ονομάζεται plasmon επιφάνεια polariton (SPP). Χειραγώγηση από αυτές τις SPPs βρίσκεται στο επίκεντρο της εκπληκτικής οπτικών ιδιοτήτων των μεταϋλικά.

Το Berkeley Lab-UC ομάδα του Berkeley, με επικεφαλής τον Xiang Zhang, κύριος ερευνητής με Υλικών Τμήμα Επιστημών και διευθυντής του Berkeley Εργαστηρίου της νανο-κλίμακα των φυσικών επιστημών του Πανεπιστημίου του Berkeley και Τεχνολογία Κέντρο (SINAM), κατά το πρότυπο αυτό που αποκαλούν ένα «μετασχηματιστική plasmon οπτική" προσέγγιση που εμπλέκονται χειραγώγηση της διηλεκτρικό υλικό δίπλα σε ένα μέταλλο, αλλά όχι το ίδιο το μέταλλο. Αυτή η νέα προσέγγιση φάνηκε να καταστεί δυνατό για SPPs να ταξιδέψει σε όλη την άνιση και καμπύλες επιφάνειες πάνω από ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος, χωρίς να υποστεί σημαντικές απώλειες σκέδασης. Χρησιμοποιώντας αυτό το μοντέλο, Zhang και η ομάδα του στη συνέχεια, σχεδίασε ένα plasmonic κυματοδηγό με μια στροφή 180 μοιρών που δεν θα αλλάξει την ενέργεια ή τις ιδιότητες του μια ακτίνα φωτός, όπως κάνει το U-turn. Σχεδίασαν επίσης μια plasmonic έκδοση ενός φακού Luneburg, η μπάλα σε σχήμα φακών που μπορεί να λαμβάνει και να επιλύσει οπτικά κύματα από πολλές κατευθύνσεις ταυτόχρονα.

"Δεδομένου ότι οι ιδιότητες του μετάλλου σε μετα-υλικά μας είναι εντελώς αμετάβλητη, μετασχηματιστική μας plasmon οπτικών μεθοδολογία παρέχει έναν πρακτικό τρόπο για τη δρομολόγηση φως σε πολύ μικρές κλίμακες," λέει ο Zhang. «Τα ευρήματά μας αποκαλύπτουν τη δύναμη του μετασχηματισμού οπτική τεχνική για να χειραγωγήσουν κοντινού πεδίου οπτικά κύματα, και αναμένουμε ότι πολλά άλλα ενδιαφέροντα plasmonic συσκευές που θα πραγματοποιηθεί με βάση τη μεθοδολογία που έχουμε εισαγάγει."

Zhang είναι η αντίστοιχη συντάκτης ενός εγγράφου που περιγράφει αυτή την έρευνα που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nano Letters, με τίτλο «μετασχηματιστική Plasmon Οπτική." Co-authoring το χαρτί με Zhang ήταν Yongmin Liu, Thomas Zentgraf και Guy Bartal.

Λέει ο Liu, ο οποίος ήταν ο επικεφαλής συγγραφέας του χαρτιού και μεταδιδακτορικός ερευνητής στο UC Berkeley Zhang του ομάδα, "Εκτός από τα 180 μοιρών plasmonic λυγίζετε και η plasmonic φακό Luneburg, η προσέγγισή μας πρέπει επίσης να επιτρέπει το σχεδιασμό και την παραγωγή της δέσμης splitters και shifters, και κατεύθυνσης φως εκπομπών. Η τεχνική θα πρέπει επίσης να ισχύουν για την κατασκευή ολοκληρωμένων, συμπαγής οπτική επεξεργασία δεδομένων τσιπ. "

Zhang και η ερευνητική του ομάδα ήταν στην πρώτη γραμμή της έρευνας μετασχηματισμού οπτική από το 2008 όταν έγινε η πρώτη ομάδα για να μετα-υλικά μόδας που ήταν σε θέση να κάμψει το φως προς τα πίσω, μια ιδιότητα γνωστή ως "αρνητική διάθλαση," η οποία είναι πρωτοφανής στη φύση. Το 2009, αυτός και η ομάδα του δημιούργησαν ένα «μανδύας χαλί» από νανοδομημένων πυριτίου ότι απέκρυψε την παρουσία αντικείμενα που τοποθετούνται κάτω από αυτό από την οπτική ανίχνευση.

Για αυτό το τελευταίο έργο, Zhang και Liu με Zentgraf και Bartal αναχώρησε από την παραδοσιακή έμφαση στην οπτική μεταμόρφωση κύματα διάδοση και αντί να επικεντρωθεί στην SPPs μεταφέρονται στην περιοχή κοντινού πεδίου (subwavelength).

«Η ένταση των SPPs είναι μέγιστη στη διασύνδεσή του με ένα μεταλλικό και ένα διηλεκτρικό υλικό και εκθετικά διασπάσεις μακριά από το περιβάλλον», λέει ο Ζανγκ. "Δεδομένου ότι ένα σημαντικό μέρος της SPP ενέργεια μεταφέρεται με τα παροδικά πεδίο έξω από το μέταλλο, το οποίο, στο παρακείμενο μέσο διηλεκτρικό, προτείναμε τον έλεγχο SPPs, διατηρώντας την ιδιοκτησία μετάλλων και μόνο τροποποιώντας το διηλεκτρικό υλικό με βάση την τεχνική μετασχηματισμού οπτική . "

Πλήρης κύμα προσομοιώσεις των διαφόρων μετατραπεί σχέδια αποδείχθηκε η προτεινόμενη μεθοδολογία από τον Zhang και οι συνεργάτες του σωστά. Ήταν εξάλλου αποδειχθεί ότι αν μια συνετή μετασχηματιστική plasmon οπτικών συστήματος λαμβάνεται η μεταμορφώνεται διηλεκτρικό υλικό μπορεί να είναι ισότροπα και nonmagnetic, η οποία ενισχύει περαιτέρω την πρακτικότητα αυτής της προσέγγισης. Η επίδειξη του σε μία στροφή 180 μοιρών plasmonic λυγίσει με σχεδόν τέλεια μετάδοση ήταν ιδιαίτερα σημαντική.

"Plasmonic κυματοδηγοί είναι ένα από τα πιο σημαντικά συστατικά / στοιχεία στον τομέα της ολοκληρωμένης plasmonic συσκευές», λέει ο Liu. "Ωστόσο, καμπυλότητες συχνά οδηγούν σε απώλεια ισχυρή ακτινοβολία που μειώνει το μήκος για τη μεταφορά οπτικό σήμα. 180 λυγίσει μας βαθμό λυγίσει plasmonic είναι σίγουρα σημαντική και θα είναι χρήσιμο στο μελλοντικό σχεδιασμό της ολοκληρωμένης plasmonic συσκευές. "

Σε σύγκριση με βασίζονται στο πυρίτιο φωτονικών συσκευών με τη χρήση των plasmonics θα μπορούσε να βοηθήσει στην περαιτέρω κλίμακα προς τα κάτω το συνολικό μέγεθος των φωτονικών συσκευών και να αυξήσει την αλληλεπίδραση του φωτός με ορισμένα υλικά, τα οποία θα πρέπει να βελτιώσει τις επιδόσεις.

«Οραματιζόμαστε ότι η μοναδική ευελιξία σχεδιασμού του μετασχηματισμού plasmon οπτική προσέγγιση μπορεί να ανοίξει μια νέα πόρτα για νανο οπτικά και φωτονικών σχεδιασμό κυκλωμάτων," λέει ο Zhang.

Αυτή η έρευνα υποστηρίχθηκε από τον αμερικανικό στρατό Γραφείο Έρευνας και νανο-κλίμακα των φυσικών επιστημών το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών και το Κέντρο Μηχανικής.

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