Fizycy przedstawiają antenę świetlną wielkości nanometra z elektrycznie modulowanymi właściwościami powierzchni – przełom, który może utorować drogę szybszym chipom komputerowym.
Dzięki współpracy niemieckich i duńskich uniwersytetów postęp w rezonatorach plazmonicznych może zaowocować nawet 1000 razy szybszymi chipami komputerowymi. Zespoły te z powodzeniem modulowały elektrycznie anteny świetlne i zintegrowały mechanikę kwantową z klasycznymi modelami fizycznymi, co stanowi obietnicę głębokiego wpływu technologicznego.
Zwiększanie prędkości obliczeniowej
Dzisiejsze komputery osiągają swoje fizyczne granice, jeśli chodzi o prędkość. Komponenty półprzewodnikowe zwykle działają z maksymalną użyteczną częstotliwością kilku gigaherców – co odpowiada kilku miliardom operacji obliczeniowych na sekundę. W rezultacie nowoczesne systemy wykorzystują kilka układów scalonych do podziału zadań obliczeniowych, ponieważ szybkości poszczególnych układów nie można już zwiększyć. Gdyby jednak w chipach komputerowych zamiast prądu (elektronów) zastosować światło (fotony), mogłyby one działać nawet 1000 razy szybciej.
Rezonatory plazmoniczne, zwane także „antenami świetlnymi”, są obiecującym sposobem na osiągnięcie tego skoku prędkości. Są to struktury metalowe o wielkości nanometrów, w których oddziałuje światło i elektrony. W zależności od swojej geometrii mogą oddziaływać z różnymi częstotliwościami światła.
Przełom w technologii modulacji
„Wyzwanie polega na tym, że rezonatorów plazmonicznych nie można jeszcze skutecznie modulować, jak ma to miejsce w przypadku tranzystorów w konwencjonalnej elektronice. Utrudnia to rozwój szybkich przełączników wykorzystujących światło” – mówi dr Thorsten Feichtner, fizyk z Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg w Bawarii w Niemczech.
Zespół badawczy JMU we współpracy z Uniwersytetem Południowej Danii (SDU) w Odense zrobił obecnie znaczący krok naprzód w modulacji anten świetlnych: udało mu się uzyskać modulację sterowaną elektrycznie, która wskazuje drogę do ultraszybkiej aktywnej plazmoniki, a tym samym do znacznie szybszych chipów komputerowych. Wyniki eksperymentów opublikowano w czasopiśmie Postęp nauki.
Ulepszanie powierzchni rezonatora w celu szybszego przetwarzania
Zamiast próbować zmienić cały rezonator, zespół skupił się na zmianie jego właściwości powierzchniowych. Przełomu tego dokonano poprzez elektryczny kontakt z pojedynczym rezonatorem, nanoprętem wykonanym ze złota. Pomysł jest koncepcyjnie prosty, ale można go zrealizować jedynie za pomocą wyrafinowanej nanofabrykacji opartej na wiązkach jonów helu i nanokryształach złota. Ta unikalna metoda wytwarzania została opracowana w Katedrze Fizyki Doświadczalnej (Biofizyki) JMU pod kierunkiem profesora Berta Hechta. Zaawansowane techniki pomiarowe ze wzmacniaczem blokującym miały kluczowe znaczenie dla wykrycia małych, ale znaczących efektów na powierzchni rezonatora.
Kierownik badania, dr Thorsten Feichtner, wyjaśnia: „Efekt, który wykorzystujemy, jest porównywalny z zasadą klatki Faradaya. Tak jak elektrony w samochodzie uderzonym piorunem gromadzą się na zewnątrz, a pasażerowie w środku są bezpieczni, tak dodatkowe elektrony na powierzchni wpływają na właściwości optyczne rezonatorów.
Zaskakujące efekty kwantowe
Do tej pory anteny optyczne można było prawie zawsze opisać klasycznie: elektrony metalu po prostu zatrzymują się na krawędzi nanocząstki, niczym woda na ścianie portu. Jednak pomiary wykonane przez naukowców z Würzburga ujawniły zmiany w rezonansie, których nie można już wytłumaczyć w klasyczny sposób: elektrony „rozmazują się” na granicy metalu i powietrza, powodując miękkie, stopniowane przejście, podobne do piaszczystej plaży spotkałem nad morzem.
Aby wyjaśnić te efekty kwantowe, teoretycy z SDU Odense opracowali model półklasyczny. Uwzględnia właściwości kwantowe w parametrze powierzchni, dzięki czemu obliczenia można przeprowadzić metodami klasycznymi. „Zaburzając funkcje odpowiedzi powierzchni, łączymy efekty klasyczne i kwantowe, tworząc jednolite ramy, które pogłębiają naszą wiedzę na temat efektów powierzchniowych” – wyjaśnia fizyk z JMU Luka Zurak, pierwszy autor badania.
Utworzenie nowej dziedziny badań kwantowych
Nowy model może odtworzyć eksperymenty, ale w tej chwili nie jest jasne, które z wielu efektów kwantowych zachodzą na powierzchni metalu. „Ale dzięki tym badaniom możliwe jest teraz po raz pierwszy specjalne zaprojektowanie nowych anten i wykluczenie lub wzmocnienie poszczególnych efektów kwantowych” – mówi Thorsten Feichtner.
W dłuższej perspektywie badacze przewidują jeszcze więcej zastosowań: mniejsze rezonatory dają nadzieję na modulatory optyczne o dużej wydajności, które można zastosować technologicznie. Zaprezentowany układ umożliwia ponadto badanie wpływu elektronów powierzchniowych na procesy katalityczne. Zapewniłoby to nowy wgląd w technologie konwersji i magazynowania energii.
Odniesienie: „Modulacja odpowiedzi powierzchniowej w pojedynczym nanorezonatorze plazmonicznym” autorstwa Luki Zuraka, Christiana Wolfa, Jessiki Meier, René Kullocka, N. Asgera Mortensena, Berta Hechta i Thorstena Feichtnera, 6 września 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adn5227
