Πλασμονικά φωτοηλεκτρονικά

Πλασμονικά φωτοηλεκτρονικά

Τεχνολογία που ίσως οδηγήσει στην ανάπτυξη μιας νέας γενιάς εξαιρετικά γρήγορων υπολογιστικών συστημάτων και υπερευαίσθητων μοριακών ανιχνευτών

Το φως είναι πολύ καλό μέσο για τη μεταφορά πληροφοριών. Οι οπτικές ίνες που ήδη διατρέχουν την υφήλιο, αποτελούν οδηγούς οπτικών σημάτων που μεταφέρουν τεράστιες ροές φωνητικών επικοινωνιών και τεράστιες ροές δεδομένων. Αυτή η γιγαντιαία χωρητικότητα οδήγησε ορισμένους ερευνητές να προβλέψουν ότι οι φωτονικές συσκευές (δηλαδή συσκευές που διοχετεύουν και διαχειρίζονται ορατό φως και άλλα ηλεκτρομαγνητικά κύματα) θα μπορούσαν κάποια μέρα να αντικαταστήσουν τα ηλεκτρονικά κυκλώματα στους μικροεπεξεργαστές και τα άλλα ολοκληρωμένα κυκλώματα των υπολογιστών.

Δυστυχώς, το μέγεθος και η απόδοση των φωτονικών συσκευών περιορίζεται από τους φυσικούς νόμους που καθορίζουν ότι η διάμετρος της οπτικής ίνας πρέπει να είναι μεγαλύτερη ή ίση με το μισό του μήκους κύματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που μεταφέρουν. Για οπτικά σήματα σε «τσιπς» το πιθανότερο είναι ότι θα χρησιμοποιούνταν μήκη κύματος στο εγγύς υπέρυθρο, δηλαδή γύρω στα 1.500 νανόμετρα (δισεκατομμυριοστά του μέτρου). Ετσι, το ελάχιστο πάχος της απαιτούμενης οπτικής ίνας (750 νανόμετρα) θα ήταν πολύ μεγαλύτερο από το πάχος των ηλεκτρικών καλωδίων που χρησιμοποιούνται σήμερα σ' αυτά τα κυκλώματα και δεν ξεπερνούν τα 100 νανόμετρα.

Ωστόσο, πρόσφατα, οι επιστήμονες άρχισαν να εργάζονται πάνω σε μια νέα τεχνική για τη μετάδοση οπτικών σημάτων μέσα από μικροσκοπικές δομές της νανοκλίμακας. Τη δεκαετία του 1980 επιβεβαιώθηκε πειραματικά ότι η οδήγηση οπτικών κυμάτων στη διεπαφή ανάμεσα σε ένα μέταλλο και ένα διηλεκτρικό (μη αγώγιμο υλικό όπως ο αέρας ή το γυαλί) μπορεί, κάτω από τις κατάλληλες προϋποθέσεις, να επάγει μια συντονισμένη αλληλεπίδραση ανάμεσα στα κύματα και τα ελεύθερα ηλεκτρόνια της επιφάνειας του μετάλλου (σε ένα μέταλλο αρκετά από τα ηλεκτρόνια δεν είναι ισχυρά συνδεδεμένα με τα άτομα). Με άλλα λόγια, οι παλινδρομήσεις των ηλεκτρονίων στην επιφάνεια ταιριάζουν με αυτές του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου έξω από το μέταλλο. Το αποτέλεσμα είναι η δημιουργία επιφανειακώνπλασμονίων, δηλαδή κυμάτων πυκνότητας ηλεκτρονίων, που προχωρούν κατά μήκος της διεπαφής, όπως τα κύματα που διαδίδονται στην επιφάνεια μιας ήρεμης λίμνης όταν πέσει σ' αυτή μια πέτρα.

Την περασμένη δεκαετία, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι αν σχεδιάσουν με δημιουργικό τρόπο τη διεπαφή μετάλλου - διηλεκτρικού μπορούν να δημιουργήσουν επιφανειακά πλασμόνια που έχουν την ίδια συχνότητα με τα εξωτερικά ηλεκτρομαγνητικά κύματα, αλλά με πολύ μικρότερο μήκος κύματος. Αυτό το φαινόμενο θα μπορούσε να επιτρέψει στα πλασμόνια να ταξιδέψουν κατά μήκος καλωδίων νανοκλίμακας, τα οποία αποκαλούνται διασυνδέσεις και μεταφέρουν πληροφορίες από το ένα μέρος του μικροεπεξεργαστή στο άλλο. Οι πλασμονικές διασυνδέσεις θα έδιναν λύση στο πρόβλημα που αντιμετωπίζουν οι σχεδιαστές ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, δηλαδή τη δυνατότητά τους να αναπτύσσουν όλο και πιο μικρά και γρήγορα τρανζίστορ, αλλά τη μεγάλη δυσκολία να κατασκευάσουν ηλεκτρονικά κυκλώματα που να μετακινούν γρήγορα τα δεδομένα στα διάφορα σημεία του κυκλώματος.

Η εφαρμογή των «πλασμονικών» (κατά το ...ηλεκτρονικών) θα μπορούσε να επεκταθεί και σε άλλες κατηγορίες συσκευών, έτσι ώστε να αυξηθεί η μεγεθυντική ικανότητα των ηλεκτρονικών μικροσκοπίων, η απόδοση των διόδων εκπομπής φωτός (LED) και η ευαισθησία των χημικών και βιολογικών αισθητήρων. Οι επιστήμονες εξετάζουν επίσης το ενδεχόμενο ιατρικών εφαρμογών, σχεδιάζοντας μικροσκοπικά σωματίδια που θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν την απορρόφηση ενέργειας μέσω πλασμονικού συντονισμού για την καταστροφή π.χ. καρκινογόνων ιστών. Ισως μερικές απ' αυτές, αλλά και άλλες ακόμα πιο εξωτικές εφαρμογές, δε γίνουν πραγματικότητα. Πάντως, οι ερευνητές μελετούν πρόθυμα την πλασμονική, επειδή αυτό το νέο τεχνολογικό πεδίο υπόσχεται να ...«ρίξει φως» στα μυστήρια του νανόκοσμου.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»