نانولیزرهای پلاسمونیک: نانولیزرهای پلاسمونیک: به دنبال شرایط لیزری شدید در مقیاس نانو

نانولیزرهای پلاسمونیک با استفاده از حالت‌های حفره پلاسمونیک حد پراش می‌توانند شرایط لیزری شدید را با محدودیت نوری بسیار بالا دنبال کنند. پیشرفت‌های اخیر در نانولیزرهای پلاسمونیک از هر دو جنبه نظری و تجربی

نانولیزرهای پلاسمونیک: خواص و کاربردهای اساسی

خلاصه

نانولیزرهای پلاسمونیک دسته جدیدی از ساطع کننده های منسجم هستند که در آنها پلاسمون های سطحی با انتشار تحریک شده در یک نانوحفره پلاسمونیک تقویت می شوند. در مقایسه با لیزرها، اندازه فیزیکی و حجم حالت نانولیزرهای پلاسمونیک می‌تواند فراتر از حد پراش نوری کوچک شود و می‌تواند با سرعت بیشتر و مصرف انرژی کمتری کار کند. در ابتدا توسط برگمن و استاکمن در سال 2003 پیشنهاد شد، و برای اولین بار در سال 2009 به صورت تجربی نشان داده شد. در اینجا ما مطالعات خود را در مورد خواص اساسی و کاربردهای نانولیزرهای پلاسمونیک در سال های اخیر، از جمله مشخصه تابش تاریک، قوانین مقیاس، بازده کوانتومی، آستانه کوانتومی، خلاصه می کنیم. بهینه سازی سود و زیان، مواد پلاسمونیک کم تلفات، سنجش، و مهندسی حالت ویژه.

کلمات کلیدی: نانولیزرها نانولیزر پلاسمونیک؛ لیزرهای نیمه هادی؛ اسپاسرها

1. مقدمه

در سال 1916، آلبرت انیشتین قانون تابش جسم سیاه پلانک را بر اساس تعادل حرارتی ماده و تشعشع دوباره استخراج کرد و وجود انتشار تحریک شده را مطرح کرد [1]. کشف تابش تحریک شده منجر به ساطع کننده های منسجم میزر و لیزر می شود که به ترتیب مخفف "تقویت امواج مایکروویو با انتشار تحریک شده تشعشع" و "تقویت نور با انتشار تحریک شده تشعشع" هستند. اولین میزر توسط چارلز اچ. تاونز، جیمز پی گوردون و هربرت جی. زیگر در سال 1954 گزارش شد [2]. به دلیل طول موج زیاد، اندازه حفره میزر در حد متر است. لیزر بر اساس همان اصل میزر عمل می کند، اما در فرکانس نوری بالاتر عمل می کند. در سال 1958، Arthur L. Schawlow و Charles H. Townes از نظر تئوری تکنیک های میزر را به ناحیه مادون قرمز و نوری که لیزر است گسترش دادند، اما در آن زمان آن را میزر نوری می نامیدند [3]. اولین لیزر توسط تئودور میمن در سال 1960 گزارش شد [4].

بلافاصله پس از اختراع، لیزرها به یک محرک کلیدی برای علم و فناوری مدرن تبدیل شدند. ایجاد لیزرهای کوچکتر از همان ابتدا یک هدف تحقیقاتی بوده است، با هدف اندازه فشرده تر و مصرف انرژی کمتر. لیزرهای ساطع کننده لبه نیمه هادی دارای اندازه 100 میکرومتر هستند و محرک های کلیدی برای پیوندهای نوری دوربرد هستند. لیزرهای ساطع کننده سطح نیمه هادی دارای اندازه ویژگی حدود 10 میکرومتر هستند و بهترین راه حل برای اتصالات نوری در فواصل کوتاه و لوازم الکترونیکی مصرفی هستند. در حدود سال 2000، نمایش لیزرهای میکرودیسک [5]، لیزرهای کریستال فوتونی [6] و لیزرهای نانوسیم [7] اندازه ویژگی یک لیزر را به ناحیه میکرومتر یا حتی زیر میکرومتر کاهش داد. با این حال، لیزرها فوتون ها را تقویت می کنند، که در آن حد پراش نوری مانعی برای کاهش اندازه فیزیکی و حجم حالت آن ایجاد می کند. برای منطقه مادون قرمز و نوری نزدیک، لیزرها نمی توانند کوچکتر از حدود صدها نانومتر باشند.

در سال 2003، برگمن و استاکمن مفهوم اسپاسر، مخفف "تقویت پلاسمون سطحی با انتشار تحریک شده تشعشع" را پیشنهاد کردند [8]. پلاسمون های سطحی شبه ذرات فوتون ها و الکترون های جفت شده هستند که در سطح فلز برانگیخته می شوند. تقویت پلاسمون‌های سطحی به جای فوتون‌ها در نانوحفره پلاسمونیک، دسته جدیدی از ساطع‌کننده‌های منسجم را با اندازه‌های مشخصه‌ای تا ده‌ها نانومتر یا حتی کوچک‌تر، قابل مقایسه با ترانزیستورهای مدرن، فراهم می‌کند. امروزه اسپیسر را نانولیزر پلاسمونیک نیز می نامند. این یک ابزار قدرتمند جدید برای کاربردهای مختلف از اتصالات نوری روی تراشه، سنجش و تشخیص، برچسب‌گذاری بیولوژیکی و ردیابی ارائه می‌کند.

در سال 2009، اولین نانولیزر پلاسمونیک به طور تجربی توسط سه تیم به طور مستقل انجام شد [9]، [10]، [11]. هر تیم یک نانولیزر پلاسمونیک را نشان داد که محصور شدن طول زیر موج را در ابعاد مختلف نشان می‌دهد. پس از آن، تعداد زیادی از نانولیزرهای پلاسمونیک با معماری های منحصر به فرد و بهره های مختلف و مواد پلاسمونیک ساخته شده اند. تعدادی مقاله مروری جامع در مورد نانولیزرهای پلاسمونیک وجود دارد [12]، [13]، [14]، [15]، [16]، [17]، [18]، [19]، [20]، [21]. ، [22]، [23]، [24]، [25]، [26]، [27]، [28]، [29]، [30]، [31]، [32]، [33]. در این دیدگاه، ما تحقیقات نانولیزرهای پلاسمونیک در گروه خود در سال‌های اخیر را خلاصه می‌کنیم، از جمله مشخصه‌های انتشار تاریک، قوانین پوسته‌گذاری، بازده کوانتومی، آستانه کوانتومی، بهینه‌سازی سود و زیان، مواد پلاسمونیک کم تلفات، سنجش، و مهندسی حالت ویژه.

یک سوئیچ مغناطیسی برای لیزرهای پلاسمونیک

نانولیزرهای پلاسمونیک، که برای اولین بار در سال 2009 توصیف شد، در حال حاضر در طیف‌سنجی رامان تقویت‌شده سطحی و سایر حسگرهای زیستی استفاده می‌شوند. اکنون یک تیم تحقیقاتی در فنلاند با اختراع یک کلید روشن و خاموش مغناطیسی برای چنین نانولیزرهایی این فناوری را بیشتر بهبود بخشیده است.

دانشمندان دانشگاه آلتو فنلاند، فلزات نجیب مورد استفاده در اکثر نانولیزرهای پلاسمونیک قبلی را با نقاط ریز ساخته شده از دو فلز با واکنش های قوی تر به میدان های مغناطیسی خارجی جایگزین کردند. نوع جدید کنترل می تواند منجر به پردازش بهتر سیگنال روی تراشه و اکتشافات جدید در زمینه فوتونیک توپولوژیکی شود.

نحوه عملکرد نانولیزر

تیم آلتو چندین آرایه دوره‌ای از نانو نقطه‌ها را بر روی زیرلایه‌ای از طلا و یک عایق دی اکسید سیلیکون ساخت. به‌جای ساختن نقطه‌ها از طلای دفع‌کننده مغناطیس، محققان برج‌های استوانه‌ای از لایه‌های نازک متناوب پلاتین و کبالت به قطر 220 نانومتر و ارتفاع 68 نانومتر ساختند. (پلاتین پارامغناطیس است، در حالی که کبالت فرومغناطیسی است.) شبکه ها دارای تناوب 590 نانومتر در هر دو جهت x و y برای آرایه های مربعی و 520 تا 540 نانومتر در جهت y برای آرایه های مستطیلی بودند.

در طول ساخت، دانشمندان نانو نقطه ها را در محلول رنگ لیزری مادون قرمز به نام IR-140 غوطه ور کردند. این تیم یک آرایه را با تحریک آن با پالس‌های 200 fs دایره‌ای چپ یا راست تابش 800 نانومتری به لیزر تبدیل کردند. حداکثر طول موج نور خروجی تقریباً 890 نانومتر بود.

Päivi Törmä، فیزیکدانی که سرپرست گروه دینامیک کوانتومی آلتو است، می‌گوید: «این لیزرهای پلاسمونیک از بسیاری جهات مانند یک لیزر معمولی عمل می‌کنند. "محیط افزایش، مولکول های رنگ در یک محلول است که نزدیک به آرایه قرار می گیرد، و "رزوناتور" وجود یک لبه نواری است که بازخورد را ارائه می دهد (این اصل مشابه چیزی است که به طور گسترده در لیزرهای بازخورد توزیع شده معمول استفاده می شود) "

هنگامی که محققان میدان مغناطیسی را معکوس کردند، دریافتند که آستانه و شدت لیزر بسته به جهت مغناطیسی تغییر می کند. در واقع، در یک جریان پمپ درست بالاتر از آستانه لیزر، تیم گزارش می‌دهد که می‌تواند شدت لیزر را تا 75 تا 90 درصد با کلیدزنی مغناطیسی تعدیل کند و به طور موثر یک کلید روشن و خاموش ایجاد کند.

یک پلت فرم توپولوژیکی-فوتونیکی؟

با بررسی تأثیر سوئیچینگ مغناطیسی بر رفتار لیزر، این تیم همچنین شواهدی از تقسیم بین دو حالت لیزر کایرال مخالف را مشاهده کردند. طبق این مقاله، این نوع تقسیم توسط شکست تقارن معکوس زمانی (یعنی جهت مغناطیسی) "در ایجاد سیستم های توپولوژیکی غیر پیش پا افتاده ضروری است."

آنالوگ های فوتونیک به اصطلاح عایق های توپولوژیکی در فیزیک ماده متراکم موضوعی داغ برای چندین سال بوده است (به «سیستم های فوتونیک توپولوژیکی»، OPN، می 2018 مراجعه کنید). تصور می‌شود که فوتونیک توپولوژیک می‌تواند به طور بالقوه انواع جدیدی از پردازش سیگنال و سایر کاربردهایی را که در برابر بی نظمی، نقص‌های مواد و اختلالات خارجی مقاوم هستند، اجازه دهد. و گروه Aalto فکر می‌کند که نانولیزرهای کنترل‌شده مغناطیسی آنها می‌تواند «سکوی هیجان‌انگیزی» برای مطالعه چنین اثرات توپولوژیکی باشد.

تورما می‌گوید: «حالت‌های کایرال و سایر اثرات کایرالی که می‌بینیم، تأثیر قوی شکست تقارن معکوس زمانی را که مغناطش ذرات ایجاد می‌کند، منعکس می‌کند، و این شکست تقارن، همراه با هندسه شبکه مناسب، می‌تواند بعداً برای تولید سیستم‌های توپولوژیکی مورد استفاده قرار گیرد.» می گوید. مهم است که وجود ساختار آرایه و حالت‌های شبکه مربوطه در کار ما برای تقویت اثرات مورد انتظار مغناطیسی یافت شد - این قابل توجه است و نوید مطالعات توپولوژیکی را در آینده می‌دهد.

تورما تاکید می کند که او و همکارانش هنوز به لیزر غیر متقابل دست نیافته اند، که زمانی رخ می دهد که تقارن معکوس زمانی سیستم شکسته شود. با این حال، او می گوید، احتمالاً می توان آن را در تغییرات آینده در این نوع نانولیزر مشاهده کرد.

پیگیری درخواست ها

قدم بعدی تورما و همکارانش ساختن سیستم های فوتونیک توپولوژیکی واقعی است. او می گوید: «سوئیچینگ مغناطیسی را می توان به عنوان مکانیزم کنترلی در هر نانولیزر پلاسمونیکی از این نوع استفاده کرد. "اگر کسی شروع به دنبال کردن چنین برنامه هایی کند، آنها می توانند ظرف چند سال قابل اجرا باشند، زیرا این فناوری در حال حاضر روی تراشه است."

به گفته تورما، بزرگترین مانع در دستیابی به چنین نانولیزرهای یکپارچه در کاربردهای واقعی، دستیابی به یک سیستم پمپاژ الکتریکی به جای پمپ نوری خواهد بود. با این حال، اگر این کار محقق شود، او تعدادی استفاده بالقوه را برای این لیزرهای کوچک و سوئیچ مغناطیسی متصور است. به عنوان مثال، نانولیزرهای پلاسمونیک را می توان در سنجش استفاده کرد، زیرا پدیده لیزر حتی تغییرات کوچکی را در ساختار حالت (ناشی از چیزی که فرد می خواهد تشخیص دهد) را تقویت می کند.