ده سال اسپاسرها و نانولیزرهای پلاسمونیک

یک نانولیزر مبتنی بر حالت شکاف پلاسمونیک فلز-عایق-نیمه هادی-عایق-فلز، که در آن محصور شدن عمودی با استفاده از یک ساختار ناهمگن دوتایی به دست آمد. b نانولیزر پلاسمونیک مبتنی بر حالت پلاسمونیک نانوسیم دوبعدی محدود35. c Spaser بر اساس حالت سه بعدی نانوذرات فلزی محدود شده است

خلاصه

ده سال پیش، سه تیم به طور آزمایشی اولین اسپاسرها یا نانولیزرهای پلاسمونیک را پس از اینکه مفهوم اسپاسر برای اولین بار به صورت نظری در سال 2003 مطرح شد، به نمایش گذاشتند. مروری بر پیشرفت قابل توجهی که در 10 سال گذشته به دست آمده در اینجا همراه با زمینه اصلی و اصلی ارائه شده است. انگیزه های این تحقیق پس از یک مقدمه کلی، ابتدا خواص اساسی اسپاسرها را خلاصه می کنیم و انگیزه های اصلی را که منجر به اولین نمایش اسپاسرها و نانولیزرها شده است، مورد بحث قرار می دهیم. این با مروری بر پیشرفت های مهم تکنولوژیکی، از جمله کاهش آستانه لیزر، مدولاسیون دینامیکی، عملیات دمای اتاق، تزریق الکتریکی، کنترل و بهبود اسپاسرها، عملکرد آرایه اسپاسرها، و کاربردهای منتخب اسپاسرهای تک ذره ای دنبال می شود. چشم اندازهای تحقیقاتی در رابطه با چندین جهت توسعه ارائه شده است، از جمله کوچک سازی بیشتر، رابطه با تراکم بوز-اینشتین، اتصالات متقابل جدید مبتنی بر اسپاسر، و سایر ویژگی های اسپاسرها و لیزرهای پلاسمونیک که هنوز محقق نشده اند یا چالش هایی که هنوز وجود دارد. غلبه شود

معرفی

در میان اکتشافات و اختراعاتی که علم، فناوری و به طور کلی تمدن را به شکلی که ما می شناسیم تعریف کرده است، اختراع لیزر در 60 سال پیش خودنمایی می کند.1،2،3. لیزرها قابلیت منحصر به فردی را برای تمرکز انرژی به شکل تابش منسجم در کمترین حجم فاز-فضای ممکن در اپتیک فراهم می کنند. این اجازه می دهد تا پرتوهای منسجم با حداقل واگرایی زاویه ای یا تمرکز تابش به کوچکترین نقاط ممکن، با اندازه های کمتر از نیم طول موج. لیزرها همچنین امکان تمرکز انرژی نوری در حوزه زمانی را به کوتاه‌ترین پالس‌های ممکن، با مدت زمانی در حد یک چرخه نوری می‌دهند، و دسترسی به پدیده‌های زیرسیکلی با مدت زمان‌هایی در حدود ۱۰۰ آتوثانیه را فراهم می‌کنند.

از نظر تاریخی، لیزرها به دلیل تک رنگی بودن، شدت بالا و واگرایی پرتوی پایین خود منادی شده بودند. با این حال، امروزه، انتشار تحریک‌شده به‌عنوان ابزاری برای مهندسی میدان‌های نوری با فرکانس‌های مشخص، ویژگی‌های آماری، پلاریزاسیون‌ها و پروفایل‌های فضایی استفاده می‌شود. دامنه برنامه های کاربردی بسیار گسترده است. مینیاتورسازی همیشه یک موضوع دائمی تحقیقات در فوتونیک بوده است. تنها 2 سال پس از اولین لیزر 3 میمن، لیزرهای نیمه هادی 6 پدیدار شدند که مرتبه ای کوچکتر بودند. از نظر فناوری، لیزرهای نیمه هادی به طور طبیعی فشرده تر هستند، اما با ظهور هتروساختارها7، آنها همچنین قادر به کار با توان کمتر تحت تزریق الکتریکی، حتی تحت انرژی باتری شدند. از آنجایی که مقیاس بندی و ادغام ترانزیستور انقلاب های میکروالکترونیک و کامپیوتر را به حرکت در می آورد، ادغام میکروالکترونیک با فوتونیک برای مدت طولانی غیرقابل اجتناب تلقی می شد. هنگامی که کوچکترین ابعاد لیزرها سرانجام به مقیاسهای طول موجی در دهه 1990 رسیدند (مثلاً رجوع کنید به شماره 9)، آنها هنوز چندین مرتبه بزرگتر از ترانزیستورها بودند. با این حال، مشخص شد که تشدید کننده های نوری در مقیاس میکرو و نانو را می توان برای کنترل انتشار خود به خودی مورد استفاده قرار داد. از این پارادایم، کنترل انتشار خود به خودی به عنوان یک موضوع مدرن تحقیقاتی در زمینه نانولیزرها پدیدار شد.

در آغاز هزاره، نانولیزرهای کریستال فوتونیک (PC) با پمپ نوری در میان کوچک‌ترین دستگاه‌ها بودند. دیگر اشکال لیزرهای کوچک به زودی از اوایل دهه 2000 شروع شد، مانند لیزرهای نانوسیمی 12،13،14،15،16. با این حال، تلاش برای کاهش اندازه تشدید کننده، تولید چنین لیزرهای کامپیوتری کوچکی را که تحت تزریق الکتریکی کار می کنند، بسیار دشوار کرد. تماس‌های فلزی که از نزدیک به حفره نزدیک می‌شدند ناگزیر باعث تلفات پراکندگی و جذب شدند. عوارض رسانش حرارتی ضعیف و پایداری مکانیکی کم نیز به وجود آمد زیرا این دستگاه ها از غشاهای معلق نازک مواد نیمه هادی ساخته شدند. در همین حال، بسیاری از مطالعات بر روی موجبرهای فلزی، احتمال محصور شدن در فراتر از محدوده طول موج نور را نشان می‌دهد. از آنجایی که چنین رویکردهایی باعث تلفات فلزی شدند، استراتژی‌های افزایش یکپارچه نیز برای طولانی‌تر کردن انتشار نور ابداع شدند. عنصر نهایی، و کلید کاهش موثر اندازه فیزیکی لیزرها، ظهور حفره های مبتنی بر فلز بود که در حالت دی الکتریک 27 یا حالت پلاسمونیک در سال 200728 کار می کردند. لیزر29،30،31،32: محصور کردن نوری، بازخورد، تماس های الکتریکی و مدیریت حرارتی33،34،35،36. چنین رویکردهایی متکی به فلزات برای حمایت از امواج الکترومغناطیسی سطحی بود که از نوسانات الکترونی برای ارتقای محصور شدن نوری استفاده می کردند. برگمن و استاکمن 33 بودند که برای اولین بار در سال 2003 متوجه شدند که این امواج پلاسمون سطحی نیز می توانند با انتشار تحریک شده تقویت شوند. بنابراین، مفهوم اسپاسر (مخفف برای تقویت پلاسمون سطحی با انتشار تحریک شده تشعشع) متولد شد.