Плазмоника как прикладная наука

Плазмоны – это электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль границы металла и диэлектрика, амплитуда которых экспоненциально спадает с расстоянием от поверхности раздела сред. Это означает, что энергия плазмонов сосредоточена в области вблизи поверхности на расстоянии меньшем длины волны. Плазмоны представляют собой некого «кентавра»: верхняя часть которого – электромагнитная волна в диэлектрике, а нижняя – волна плотности в электронной плазме, образованной свободными электронами в металле. Две эти волны синфазны и бегут с одной скоростью, которая может быть на порядок меньше скорости света. Плазмон можно возбудить, например, с помощью световой волны, падающей на металл из диэлектрика под некоторым углом, таким, чтобы проекция скорости световой волны на плоскость границы раздела была равна скорости плазмона. Автором [1] выделено несколько примеров, иллюстрирующих идеи плазмоники, которые можно использовать в практических целях.

Первоначальные работы в плазмонике были сконцентрированы на исследовании плазмонного резонанса и локального усиления электромагнитного поля в наноструктурах. Так, в зазоре между двумя металлическими призмами с характерными размерами сотни нанометров (рис.1а) амплитуда колебаний электромагнитной волны усиливается в сотни раз. В результате этого становятся возможными нелинейные оптические эффекты в окружающем газе. Например, за счет эффекта генерации высших гармоник в аргоне излучение с длиной волны 800 нм преобразуется в коротковолновое ультрафиолетовое излучение с длиной волны 47 нм. Чип с матрицей из тысяч таких структур в сочетании с лазером подсветки может работать как источник излучения для фотолитографии высокого разрешения.

Рис. 1. Плазмоника в приложениях: а - генерация коротковолнового ультрафиолета;
б - частицы-биосенсоры; в - фотоэлементы с увеличенным КПД; г - плазмонные интегральные схемы.

 

Усиление электромагнитного поля вследствие плазмонного резонанса наблюдается также вблизи металлических наночастиц, используемых в качестве маркеров. Поскольку частота резонанса плазмонных частиц сильно зависит от размера частиц и расстояния между ними, то частицы, осевшие на подложку (рис. 1б), рассеивают свет иначе, чем свободные, в результате чего частота плазмонного резонанса сдвигается. Если теперь прикрепить к частицам белковые молекулы, которые будут образовывать связи только с определенным веществом, то они становятся биосенсорами, с помощью которых можно визуализировать движение молекулярных моторов, детектировать молекулы ДНК и т.п. Такие же частицы-биосенсоры используются в стандартном тесте на беременность: темно-красный цвет положительного теста – это результат рассеяния света на осевших на фильтре наночастицах (впрочем, до таких тонкостей, как измерение сдвига частоты плазмонного резонанса в этом случае не доходит).

Высокая концентрация электромагнитной энергии вблизи металлических частиц может увеличить эффективность  фотоэлементов и солнечных батарей (рис.1в). Рассеяние света на наночастицах позволяет осуществить многократное прохождение света в полупроводнике, тем самым, увеличив эффективное поглощение световой энергии. 

То, что скорость плазмонов может быть значительно меньше скорости света, на первый взгляд, кажется недостатком, проигрышем в быстродействии. Но плазмонике не ставится задача обеспечить передачу информации на большие расстояния – во-первых, этому помешает затухание плазмонов (они распространяются на расстояния от силы в несколько микрон), а во вторых, с этим отлично справляются оптические волокна. С другой стороны, интеграция оптических волноводов в полупроводниковые электронные схемы, которые давно уже вышли на нанометровый масштаб, представляется затруднительной из-за их относительно больших размеров, ограниченных длиной волны света. Меньшая скорость плазмона означает и меньшую длину волны по сравнению со световой волной той же частоты (преобразование световой волны в плазмон не изменяет частоты). Это означает, что свет, преобразованный в форму плазмона, за счет меньшей длины волны может быть локализован на масштабах десятков нанометров, а то, что плазмоны затухают на малых расстояниях не такая уж большая проблема для наноразмерных устройств. С помощью плазмонных волноводов можно будет реализовать оптические интегральные микросхемы (рис.1г), и даже воздействовать на сигнал оптической частоты другим оптическим сигналом (поскольку плазмоны, в отличие от световых волн, взаимодействуют друг с другом), то есть реализовать давнюю мечту всех занимающихся фотоникой. Отсюда уже недалеко до оптических вычислений и оптического компьютера.

А. Пятаков

1. A. Polman, Science 322, 868 (2008).