Kiedy światło łączy się z elektronami na powierzchni, ich wspólny ruch może przybrać postać fali ukierunkowywanej geometrią powierzchni. Nazywane „plazmonami powierzchniowymi” fale mogą przyczynić się do rozwoju telekomunikacji i techniki komputerowej, gdyż w przyszłości dane będą prawdopodobnie przetwarzane za pomocą światła, a nie prądu elektrycznego. Zastosowanie światła jest bardziej energooszczędne w porównaniu do prądu elektrycznego, a ponadto umożliwia projektantom zmniejszenie procesorów do nanoskali – niezbędny krok w dążeniu do zbudowania wysokiej rozdzielczości czujników i nanosystemów przetwarzających sygnały.
Wyzwanie polega jednak na tym, że do budowy nanoprocesorów potrzebna jest umiejętność układania w stertę różnych warstw zaawansowanych materiałów i śledzenie kierowanego światła w czasie przechodzenia przez te warstwy. Niestety naukowcy nie byli w stanie tego osiągnąć – aż do tej pory.
Według raportu z przeprowadzonych niedawno badań, opublikowanego w czasopiśmie »Nature Communications«, naukowcy dokonali przełomu w postępach ku przyszłym, optyczno-elektronicznym komputerom hybrydowym. Naukowcy z Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), pracujący nad finansowanymi ze środków UE projektami TRUEVIEW i USED, stworzyli ultraszybką technikę do śledzenia światła i elektronów przechodzących przez stertowaną powierzchnię nanostrukturalną.
Przełomowe prace
Partnerzy projektu USED skupili się na poznawaniu i kontrolowaniu właściwości materiałów na poziomie atomowym. W ramach tego przedsięwzięcia przeprowadzono pierwszą, udaną implementację ultraszybkiego elektronowego mikroskopu transmisyjnego (TEM), opartego na nowej konstrukcji, która zapewnia bezprecedensową rozdzielczość czasową i czułość na skurcze magnetyczne. TEM to zaawansowany teleskop, który umożliwia użytkownikowi wykonywanie femtosekundowych zdjęć materiałów w rozdzielczości atomowej, zagwarantowanej przez wysokoenergetyczne elektrony. Poprzez zamknięcie pola elektromagnetycznego na powierzchni pojedynczego nanoprzewodu i zobrazowanie jego właściwości przestrzenno-energetycznych, zaprojektowany w ramach USED mikroskop TEM wykonuje zdjęcie samego światła, ujawniając jednocześnie jego własności kwantowe i tradycyjne.
Tymczasem w ramach projektu TRUEVIEW udało się poznać zasady funkcjonowania nanoskalowych fal optycznych i manipulacji światłem w nanostrukturach optoelektronicznych. Stosując innowacyjne techniki obrazowania elektronowego do bezpośredniej wizualizacji oraz charakterystyki nanostruktur fotonicznych i plazmonicznych zarówno w przestrzeni, jak i czasie w nanometrowej i femtosekundowej rozdzielczości, partnerzy projektu z powodzeniem wprowadzili dziedzinę ultraszybkiej mikroskopii elektronowej do europejskiej społeczności naukowej.
Światła, kamera, nanoakcja
W połączeniu z mikroskopem TEM zaprojektowanym w ramach USED, obydwa projekty położyły podwaliny pod całą gamę zastosowań optoelektronicznych, między innymi ultraszybką technikę śledzenia światła i elektronów w stertowanych powierzchniach nanostrukturalnych. Proces obejmuje malutki szyk antenowy złożony z niezwykle cienkiej membrany z azotku krzemu, który jest następnie pokrywany jeszcze cieńszą warstewką srebra. W powierzchni szyku jest pełno nanootworów, które pełnią rolę anten, umożliwiając plazmonom przechodzenie przez jego powierzchnię.
Anteny są następnie rozświetlane za pomocą ultraszybkich impulsów laserowych wystrzelonych w szyk, po których wystrzeliwane są ultrakrótkie impulsy elektronowe przez wielowarstwową stertę. Za pomocą tego procesu naukowcy zmapowali plazmony wypromieniowane przez anteny na granicy faz między warstewką srebra a błoną z azotku krzemu. Dzięki zastosowaniu ultraszybkiej techniki PINEM, naukowcy są tak naprawdę w stanie sfilmować rozchodzenie się kierowanego światła i odczytać jego profil przestrzenny w całym filmie. Przełom osiągnięty w ramach projektów USED i TRUEVIEW wyposaża w pewnym sensie naukowców w umiejętność widzenia przez ścianę – co daje im możliwość projektowania zamkniętych pól plazmonicznych w wielowarstwowych strukturach, które są niezbędne do opracowywania urządzeń optoelektronicznych.
Więcej informacji:
witryna Laboratory for Ultrafast Microscopy and Electron Scattering Lumes
poleca:
