Światło i materia w urządzeniach nanoskalowych

Oddziaływanie światła (fotonów) z materią pozwala badać właściwości klasyczne, jak i kwantowe materiałów oraz toruje drogę do stworzenia nowych urządzeń. W ramach finansowanego przez UE projektu "Ultrafast phenomena in nanoparticle excitations" (UPNEX) badano zbiorcze oscylacje (plazmony powierzchniowe) w elektronach swobodnych metali w zakresie poniżej 10 femtosekund. Zespół badał przestrzenno- i czasowo-rozdzielcze ultraszybkie fotoemisje (emisje elektronów z powierzchni wywołane padającymi fotonami) z nanostrukturalnych próbek metali.

Pierwszym krokiem było zbudowanie zaawansowanego spektrometru do obrazowania. Wykorzystano go do analizy generowania promieniowania terahertzowego (THz) w postaci wyrzucanych fotoelektronów z nanocząsteczek plazmonicznych. Uczeni opublikowali ważne wyniki potwierdzające korelację rezonansu plazmonicznego nanostrukturalnych próbek z generowanym przez nie sygnałem THz.

Zbadanie tych mechanizmów otwiera drogę ku wykorzystaniu tej techniki w dziedzinie laserowych, zintegrowanych z powierzchnią źródeł THz. Źródła takie pozwoliłyby pokonać aktualne ograniczenia związane z defektami w nieliniowych źródłach THz opartych na kryształach oraz poprawić użyteczność eksperymentów i zastosowań z zakresu badań materiałowych.

W innych doświadczeniach naukowcy zbudowali komorę próżniową, w której badano sprzęganie dwóch skierowanych przeciwnie nanokońcówek. Udało się zmniejszyć odległość sprzęgania do około 100–150 nm. System wykorzystano do przetestowania nanoskalowej diody składającej się z dwóch metalowych nanokońcówek i pełniącej rolę ultraszybkiego urządzenia elektronicznego opartego na pulsacyjnych elektronach emitowanych w kilku cyklicznych fotoemisjach. Dalsze zmniejszenie odległości sprzęgania pozwoliłoby na optyczną kierunkową kontrolę prądu między końcówkami, co toruje drogę do zbudowania ultraszybkich przełączników i urządzeń.

W projekcie badano wreszcie prądy optycznie wzbudzane w dielektrykach oraz prowadzono prace nad zbudowaniem nowych źródeł światła. W oparciu o artykuł opublikowany w prestiżowym czasopiśmie Nature, zespół wyjaśnił pewne mechanizmy zależności prądów indukowanych od pasma wzbronionego. Wyniki tych badań mogą znaleźć zastosowanie w jeszcze szybszych, petahertzowych podzespołach elektronicznych (PHz, 10–18 Hz).

Projekt UPNEX ułatwił rozwój kariery badaczom zajmującym się tą dziedziną, umocnił współpracę między nimi oraz umożliwił podniesienie potencjału dwóch laboratoriów uczestniczących w inicjatywie. Jego efektem jest też szereg ważnych odkryć w dziedzinie oddziaływań między światłem i materią w skali nano, które mogą znaleźć zastosowanie w nanoskalowej optoelektronice i nanoplazmonice.