Градиентная плазмоника: практический путь к сверхбыстрым вычислениям и ультрамощной оптической микроскопии

Команда исследователей из Лоуренсовской национальной лаборатории и Калифорнийского университета (все в Беркли) провела первую экспериментальную демонстрацию градиентной плазмоники (GRIN, gradient index), гибридной технологии, которая открывает двери широкому спектру оптических приложений, включающих сверхбыстрые компьютеры, использующих световые, а не электрические сигналы, сверхмощные оптические микроскопы, способные увидеть молекулы ДНК в спектре видимого света, и маскировочные «шапки невидимки».

Работая с композитными диэлектриками на металлической подложке и электроннолучевой литографией, стандартным методом в индустрии компьютерных чипов для создания 3D-топографии, исследователи изготовили высокоэффективные плазмонные версии линз Люнеберга и Итона. Первая линза одинаково хорошо фокусирует свет со всех направлений, а вторая – изгибает свет на 90° со всех входящих направлений.

«Наша техника GRIN-плазмоники обеспечивает практический путь для маршрутизации света в очень малой пространственной шкале и производства эффективных функциональных плазмонных устройств», - сказал Сян Чжан (Xiang Zhang) из Калифорнийского университета, возглавляющий исследования.

Градиентная плазмоника комбинирует методологии из трансформационной оптики и плазмоники, двух новых направлений науки, которые могут революционизировать наши возможности использования света. «Применение трансформационной оптики в плазмонике позволяет точно управлять световыми волнами в очень ограниченном пространстве в контексте двумерной оптики, - сказал Чжан. – Наша техника аналогична хорошо известной градиентной оптике, в то время как предыдущие плазмонные техники основывались на дискретной структуре металлической поверхности в металл-диэлектрическом композите».

Подобно всем плазмонным технологиям градиентная плазмоника стартует с поверхностной электронной волны, которая образуется электронами проводимости в металле. Кванты этого поля, плазмоны, взаимодействуют с фотонами на поверхности раздела металл-диэлектрик, образуя квазичастицы, называемые поверхностными плазмонными поляритонами (SPP).

Линзы Люнеберга и Итона, изготовленные Чжаном с сотрудниками, сильнее взаимодействуют с SPP, чем с фотонами. Чтобы сделать эти линзы, исследователи разместили тонкую пленку диэлектрика на поверхности золотой пластины. Далее они облучали пленку электронным пучком, интенсивность которого изменялась по мере продвижения по поверхности пленки. В результате удалось получить хорошо контролируемые изменения толщины пленки по длине диэлектрика, что изменяло локальное распространение SPP. В свою очередь, индекс моды, который определяет как быстро будет распространяться SPP, изменялся так, что на направление SPP можно было влиять.

Выбранный подход позволит потенциально создавать по стандартной технологии функциональные плазмонные элементы с низкими потерями, которые будут полностью совместимы с действующей плазмоникой.

Слева микрофотография линз Итона, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа. Справа флуоресцентное изображение показывает интенсивность распространения SPP по оси Z (стрелка) и изгибание направо при прохождении через линзу Итона. Сплошная линия изображает внешний диаметр линзы, а пунктирная – область с высоким индексом