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GRIN Plasmonics technique fournit de façon pratique pour la lumière de routage à échelle nanométrique

Published on January 25, 2011 at 6:17 AM

Ils ont dit qu'il pourrait être fait et maintenant ils l'ont fait. Qui plus est, ils l'ont fait avec un sourire.

Une équipe de chercheurs avec le Département américain de l'Énergie (DOE) de l 'Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et l'Université de Californie, Berkeley, ont effectué la première démonstration expérimentale de GRIN - pour gradient d'indice - plasmonique, une technologie hybride qui ouvre la porte à une large gamme d'optiques exotiques, y compris les ordinateurs ultra basée sur la lumière plutôt que de signaux électroniques, ultra-puissant des microscopes optiques en mesure de résoudre les molécules d'ADN avec la lumière visible, et «l'invisibilité» des tapis cloaking appareils.

Sur la gauche est une micrographie électronique à balayage d'une lentille de Luneburg plasmonique sur un film d'or. Sur la droite, l'imagerie de fluorescence montre l'intensité de la SPP propagée par la lentille de Luneburg (cercle en pointillé). X marque la position de lancement du faisceau d'électrons et Z est la direction dans laquelle le SPP se propager.

Travailler avec des matériaux composites avec un diélectrique (non conductrice) matériau sur un substrat métallique, et "échelle de gris" lithographie par faisceau d'électrons, une méthode standard dans l'industrie des puces informatiques pour la modélisation topographies de surface en 3-D, les chercheurs ont fabriqué plasmonique très efficace versions de Lunebourg et lentilles Eaton. Une lentille de Luneburg focalise la lumière de toutes les directions aussi bien, et une lentille de virages à 90 degrés de lumière Eaton de toutes les directions entrantes.

«Cette dernière année, nous avons utilisé des simulations sur ordinateur pour démontrer que, avec seulement des modifications modérées d'un matériau diélectrique isotrope dans un composite diélectrique-métal, il serait possible de parvenir à réaliser optique de la transformation des résultats», explique Xiang Zhang, qui a dirigé cette recherche. «Notre GRIN plasmonique technique fournit un moyen pratique pour l'acheminement de lumière à des échelles très petites et la production efficace de dispositifs plasmoniques fonctionnelles."

Zhang, chercheur principal à Berkeley Lab Matériaux Division des sciences et directeur de l'université de Berkeley à l'échelle nanométrique Science and Engineering Center (SINAM), est l'auteur correspondant d'un article dans la revue Nature Nanotechnology, décrivant ce travail, intitulé "Plasmonique Lunebourg et Eaton Lentilles ». Co-auteur du papier ont été Thomas Zentgraf, Yongmin Liu, Maiken Mikkelsen et Jason Valentine.

Plasmonique GRIN allie des méthodologies d'optique de la transformation et de la plasmonique, deux croissante de nouveaux champs de la science qui pourrait révolutionner ce que nous sommes capables de faire avec la lumière. Dans l'optique de transformation, l'espace physique à travers lequel la lumière se déplace est déformé pour contrôler la trajectoire de la lumière, semblable à la manière dont l'espace est déformé par un objet massif dans la théorie de la relativité d'Einstein. Dans la plasmonique, la lumière est confinée dans des dimensions plus petites que la longueur d'onde des photons dans l'espace libre, ce qui rend possible de faire correspondre la longueur des échelles différentes associées à la photonique et l'électronique dans un seul appareil nanométrique.

«Application de la plasmonique optique de la transformation permet un contrôle précis des ondes lumineuses fortement confiné dans le contexte de deux dimensions optiques», dit Zhang. «Notre technique est analogue à la technique bien connue GRIN optiques, tandis que les techniques précédentes plasmonique ont été réalisés par la structuration discrète de la surface du métal dans un composite métal-diélectrique."

Comme toutes les technologies plasmonique, GRIN plasmonique commence par une onde de surface électronique qui roule à travers les électrons de conduction sur un métal. Tout comme l'énergie dans une onde de la lumière est transporté dans un quantifiée des particules ressemblant à l'unité appelé un photon, donc, aussi, est l'énergie plasmonique transporté dans une quasi-particule appelée plasmon. Plasmons va interagir avec des photons à l'interface d'un métal et diélectrique pour former une autre quasi-particule, un polariton de plasmon de surface (SPP).

Les lentilles de Luneburg et Eaton fabriqués par Zhang et ses co-auteurs interagi avec SPP plutôt que des photons. Afin de rendre ces objectifs, les chercheurs ont travaillé avec un film diélectrique mince (une thermplastic appelé PMMA) sur le dessus d'une surface d'or. Lors de l'application de gris lithographie par faisceau d'électrons, les chercheurs ont exposé le film diélectrique d'un faisceau d'électrons qui a été variée de dosage (charge par unité de surface) pendant qu'il se déplaçait à travers la surface du film. Il en est résulté des différences hautement contrôlée dans l'épaisseur du film à travers la longueur du diélectrique qui a modifié la propagation locale de RCR. À son tour, "l'indice de mode," qui détermine à quelle vitesse le SPP se propager, est modifiée de sorte que la direction de la SPP peuvent être influencés.

«En adaptant adiabatiquement la topologie de la couche diélectrique adjacent à la surface du métal, nous sommes en mesure de constamment modifier l'indice de mode de SPP», explique Zentgraf. "En conséquence, nous pouvons manipuler le flux de RCR avec un grand degré de liberté dans le contexte de l'optique à deux dimensions."

Dit Liu, «La pratique de travailler uniquement avec le matériau diélectrique pour transformer purement SPP est un argument de vente pour la plasmonique GRIN. Contrôler les propriétés physiques des métaux sur le nanomètre échelle de longueur, qui est la profondeur de pénétration des ondes électromagnétiques associées à SPP s'étendant au-dessous des surfaces métalliques, est hors de portée des techniques de nanofabrication existants. "

Ajoute Zentgraf, «Notre approche a le potentiel d'atteindre à faible perte fonctionnelle des éléments plasmonique avec une technologie de fabrication standard qui est entièrement compatible avec la plasmonique actif."

Dans le document de la revue Nature Nanotechnology, les chercheurs disent que l'inefficacité des dispositifs plasmonique en raison de SPP perdue par diffusion pourrait être encore réduite par l'incorporation de divers matériaux gain de PSP, comme les molécules de colorant fluorescent, directement dans le diélectrique. Cela, disent-ils, mènerait à une distance de propagation accrue qui est très recherchée pour les dispositifs optiques et plasmonique. Il devrait également permettre la réalisation de deux dimensions au-delà des éléments plasmonique Lunebourg et lentilles Eaton.

Dit Mikkelsen, "plasmonique GRIN peut être immédiatement appliquée à la conception et la production de divers éléments plasmonique, tels que des guides d'ondes et de séparateurs de faisceau, pour améliorer les performances de la plasmonique intégré. Actuellement nous travaillons sur plus complexes, les dispositifs plasmonique de transformation, telles que plasmonique collimateurs, unique éléments plasmonique à fonctions multiples, et les lentilles plasmonique avec des performances améliorées. "

Source: http://www.lbl.gov/

Last Update: 4. October 2011 23:12

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