Плазмонная нанофокусировка поможет развитию телекоммуникаций
 Изображения структур, использовавшихся для возбуждения плазмон-поляритонов на эксперименте. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Плазмон – это квазичастица, введенная для учета совместных колебаний электронного газа в металлах. Учитывая свойства этих частиц и их способность «путешествовать» по поверхности металла, ученые небезосновательно рассматривают их как возможных кандидатов на роль носителей при передаче информации.
Для возбуждения и оперирования плазмонами используются наноструктуры на поверхности металла. Быстрое развитие подобных структур, позволяет уже в ближайшем будущем рассчитывать на практическое применение оптических явлений, связанных с поверхностными плазмонами. У манипуляций с полем за счет поверхностных плазмонов есть большой потенциал по развитию множества направлений, от квантовой и ближне-польной оптики до методик отображения и нанодетекторов, ведь различные геометрические структуры позволяют создать высокие концентрации поверхностных плазмонов на масштабах меньших, чем дифракционный предел света.
Одна из техник, представляющих огромный интерес – это нанофокусировка плазмонов (с одновременным локальным усилением электромагнитного поля). Аналогичная идея уже давно существует в волновой оптике. В этом ракурсе нанофокусировка интересна тем, что потенциально она может позволить уменьшать диаметр волновода для передачи сигналов. Правда, реализация этой идеи на практике требует также, чтобы волновод изменил также свою длину (вместе с поперечным сечением). Это не всегда осуществимо, особенно, если речь идет о диэлектрических волноводах, ведь здесь будет препятствовать дифракционный предел.
Физика, лежащая в основе манипуляций с поверхностными плазмонами, принципиально отличается; она глубоко связана с гибридной природой этих частиц, объединяющей в единое целое электромагнитную структуру диэлектрика и колебания свободного электронного газа в металле. Существуют конфигурации для работы с поверхностными плазмонами, которые даже в бесконечно-малом волноводе показывают масштабную инвариантность (размеры структуры изменяются линейно с изменением размеров волновода). Подобные конфигурации реализуются, например, в тонких металлических пленках, в узких щелях между металлическими пластинами и цилиндрическими структурами.
Следует отметить, что нанофокусировка поверхностных плазмонов, хоть и выглядит простой теоретически, сталкивается сразу с множеством практических сложностей, такими как возбуждение соответствующих поверхностных плазмонов и поиск баланса между состоянием фокусировки и потерей поверхностного плазмона (потери увеличиваются при уменьшении диаметра волновода). Несколько исследовательских групп уже наблюдали нанофокусировку плазмонов в различных металлических наноструктурах. Однако, доказательства этому до сих пор были косвенные (например, основанные на наблюдениях рассеяния на больших расстояниях).
Для прямого наблюдения нанофокусировки группа ученых из Institute of Sensors, Signals, and Electrotechnics (SENSE, Германия) предложили свой подход. Для своих исследований ученые выбрали канальные плазмон-поляритоны, которые возбуждаются при помощи треугольных углублений постепенно уменьшающейся глубины. Повышение локализации таких плазмон-поляритонов эквивалентно двумерной фокусировке волны, оно выражается в значительном локальном увеличении электромагнитного поля вдоль канала.
В ходе своих экспериментов ученые продемонстрировали эффективную нанофокусировку плазмонов, имеющих длины волн диапазона, применяемого в телекоммуникациях. Важно, что экспериментальные наблюдения с применением методик ближне-польной микроскопии хорошо согласуются с проведенным ранее трехмерным моделированием. В дальнейшем планируется расширить эту работу на другие структуры плазмонных волноводов.
Также по теме:
Источники: