X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

В современном мире большую роль в нашей жизни играют компьютеры, а значит, что весь мир «опутан» оптическим волокном, передающем огромные количества информации. Основной задачей оптической телекоммуникации можно назвать передачу информации по оптико-волоконному кабелю на большое расстояние. Она также должна быть способной преобразовывать информационные электрические сигналы в световые, а в приемнике наоборот свет обратно в электрический сигнал. Возможно, что в данном случае именно устройства, манипулирующие видимым светом и другими электромагнитными волнами, пришли бы на смену микросхемам, но, к сожалению такое явление, как дифракция накладывает определенные ограничения на размеры и характеристики фотонных приборов. Поэтому был разработан совершенно новый способ передачи оптических сигналов через нанооптические структуры. В 1980-х гг. было экспериментально установлено, что при определенных условиях между световыми волнами, направленными на границу раздела между металлом и диэлектриком, и подвижными электронами на поверхности металла возникает резонансное взаимодействие. Основой такой передачи данных являются колебания электронной плотности на границе двух материалов: непроводящей плазмы или полимера и металлической поверхности. Иными словами, электроны начинают колебаться в такт с колебаниями электромагнитного поля над металлом.Такая технология была осуществлена, благодаря изучениям плазмоники. Плазмоника (наноплазмоника) - область нанофотоники, изучающая оптические свойства металлических частиц и наноструктур, которые обусловлены колебаниями электронов проводимости относительно кристаллической решетки. Плазма твердых тел состоит из ионов и атомов, которые совершают малые колебания относительно положений равновесия, и подвижных носителей заряда -электронов, совершающих движение в самосогласованном поле. Плазмой типичных металлов является сильно вырожденная электронная ферми-жидкость. Электроны движутся в условиях сильного взаимодействия с ионами кристаллической решетки, который формирует их энергетический спектр, и столкновениях с примесями и дефектами кристаллической решетки. Концентрация носителей заряда наиболее высока и составляет . Плазма в среднем является электрически нейтральной. В ней возникают плазменные колебания за счет флуктуаций. Флуктуации (от лат. fluctuatio — колебание) — это термин, который характеризует любое колебание или периодическое изменение. В квантовой механике — это случайные отклонения от среднего значения физических величин, которые характеризуют систему из большого числа частиц. Они вызываются тепловым движением частиц или эффектами квантовой механики. За последнее десятилетие исследователи пришли к выводу, что творческий подход к созданию границы между металлом и диэлектриком позволяет получать поверхностные плазмоны с той же частотой, что и внешние электромагнитные волны, но с намного меньшей длиной волны. Таким образом, плазмоны могут распространяться по наноскопическим межсоединениям, перенося информацию между частями микропроцессора.

Плазмон — квант плазменных колебаний; элементарное бозевское возбуждение плазмы. Плазмон является квазичастицой, поэтому все устройства, работающие с ней, относятся к нанооптике. Нанооптика - раздел в оптике и нанотехнологии, в котором используется свет, локализованный в пространстве много меньшем длины волны. Благодаря успехам в производстве и визуализации металлических и полупроводниковых наночастиц быстро развивается новая область нанотехнологий – наноплазмоника. Важнейшей особенностью наноплазмоники является сочетание сильной пространственной локализации электронных колебаний с высокой частотой этих колебаний (от ультрафиолетовых (7,5·10¹⁴—3·10¹⁶ Гц) до инфракрасных (3·10^11-4·10¹⁴Гц)). Сильная локализация плазмона приводит к огромному увеличению локальных электрических и оптических полей. Свойства локализованных плазмонов критически зависят от формы наночастиц, это позволяет настраивать систему их резонансов на эффективное взаимодействие со светом или элементарными квантовыми системами (молекулами, квантовыми точками), также считается, что наноплазмоника даст возможность создавать новую элементную базу для компьютеров и устройств обработки данных за счет использования малых размеров металлических наноструктур и оптического быстродействия происходящих в них процессов. Сами по себе эти элементы полупроводниковых устройств могут иметь небольшие размеры (в процессорах Intel уже используются технологии 65 нм) и высокие частоты функционирования, но соединение этих элементов электрическими проводниками может привести к ограничениям частоты функционирования, которые связанны с неустранимым выделением в проводниках тепла. С другой стороны, фотонные устройства (оптоволоконная техника) имеют высокие (оптические) частоты функционирования, но при этом их физические размеры слишком велики для наноустройств. Возможности решения этой проблемы показаны в [1, 2].

Как еще одну важную область применения наноплазмоники можно отметить создание метаматериалов, искусственных материалов, в которых место обычных атомов занимают плазмонные наночастицы или наноструктуры специально подобранной формы [3-4]. Такие частицы так же можно называть «искусственными атомами» или «плазмонными атомами». Такие метаматериалы обладают свойствами, которые отличаются от свойств естественных материалов. Плазмонные метаматериалы могут иметь не только отрицательную диэлектрическую проницаемость (как в обычных благородных металлах), но и отрицательную магнитную проницаемость. Комбинация этих свойств приводит к возможности создания оптических устройств (наноскопов), в которых, в отличие от обычных микроскопов, не существует дифракционного предела и можно увидеть объекты размером в несколько нанометров.

На основании плазмонных метаматериалов также разрабатывается концепция «плаща-невидимки». Этот метаматериал имеет такое распределение электрических и магнитных свойств, что все лучи света будут обходить некоторый объем без рассеяния и отражения и, следовательно, любой объект, помещенный внутрь этого объема, будет казаться невидимым для стороннего наблюдателя. Наноплазмоника — это достаточно молодая наука, поэтому еще не все ее законы изучены в полной мере, что приводит к необходимости разрешения самых различных парадоксов [5]. В частности, если вблизи слоя метаматериала с одновременно отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостями поместить точечный источник света, например, излучающий атом, то в зеркально симметричной относительно поверхности точке необходимо одновременно поместить поглощающий излучение атом, т. е. атомы в такие системы можно помещать только парами. Существование такого рода парадоксов позволяет быть уверенным, что эту нанонауку ждет большое будущее.

В разнообразных физических экспериментах, которые проводились с начала 80-х годов прошлого века, поверхностные плазмоны возбуждали при помощи направленного к поверхности металла лазерного луча. Ученые установили, что при определенных условиях (точно подобранном угле лазера, варьировании толщины, химического состава соприкасающихся поверхностей и проч.) плазмонные волны могут колебаться с той же частотой, что и внешние электромагнитные.

Проведенный ряд исследований и экспериментов, проведенный группой ученых Тони Юн Хана в области плазмоники показал, что можно создать простые плазмонные логические элементы, которые будут построены на основе переключения сложных молекул, имеющих два стабильных состояния формы этой молекулы. Они определяют значения логического нуля и логической единицы, являющихся основным принципом, на котором построена бинарная арифметика. Эти состояния достаточно просто определить благодаря различным характеристикам плазмона, который был создан на поверхности материала, созданного из подобных молекул. Использование вместо проводников нано-плазмонных волноводов позволит устранить эти проблемы и повысить частоты функционирования компьютеров и других устройств [6].

В настоящее время «переключение» молекулы в разные состояния осуществляется с помощью химического метода, это приводит к некоторым затруднениям в построении цепей, которые могут быть достаточно сложными. Некоторые ученые утверждают, что уже в ближайшем будущем будет разработана технология, которая будет «переводить» молекулы из одного состояния в другое с помощью оптического или электрического возбуждения, это позволит создать некоторый технологический базис для производства новых «молекулярных компьютеров».

Список литературы.

Глущенко А.Г., Захарченко Е.П. Субволновые линии передачи. Инфокоммуникационные технологии. 2009. – Т. 7. – № 3. – С. 20-27.

Glushchenko A.G., Zakharchenko E.P. Induced transparency transcendent structures with active media. LAPLAMBERT Academic Publishing. 2011. – 186 p.

В.В. Климов. Наноплазмоника. М.: ФИЗМАТЛИТ. 2009.

Вартанян Т.А., Ващенко Е.В. Введение в наноплазмонику. Учебное пособие. - СПб: НИУИТМО, 2012.– 86 с.

http://www.nanojournal.ru/events.aspx?cat_id=224&d_no=1839

https://studopedia.ru/5_26695_tehnologiya-nanoplazmoniki.html

Код для цитирования: Скопировать