La magie apparente de ces structures provient de la capacité de leurs surfaces à soutenir des vagues collectives d'électrons, appelées plasmons, avec la même fréquence que les ondes légères mais avec un confinement beaucoup plus serré.Les structures de la lumière sont mesurées en nanomètres, ou milliardièmes d'un mètre - 100 000 fois plus minces que les cheveux humains.
"Ces systèmes de cubes à l'échelle nanométrique permettent un confinement extrême de la lumière dans des endroits spécifiques et un contrôle réglable de son énergie", a déclaré Kevin Roccapriore d'Ornl, premier auteur d'une étude publiée dans la revue Small Small."C'est une façon de connecter les signaux avec des échelles de longueur très différentes."
L'exploit peut s'avérer critique pour l'informatique quantique et optique.Les ordinateurs quantiques codent pour des informations avec des bits quantiques, ou qubits, déterminés par un état quantique d'une particule, comme son spin.Qubits peut stocker de nombreuses valeurs par rapport à la valeur unique stockée par un bit classique.
Lumière - rayonnement électromagnétique qui se propage par des particules élémentaires sans masse appelées photons - remplace les électrons comme messager dans les ordinateurs optiques.Parce que les photons voyagent plus rapidement que les électrons et ne génèrent pas de chaleur, les ordinateurs optiques pourraient avoir des performances et une efficacité énergétique supérieures aux ordinateurs classiques.
Les technologies futures peuvent utiliser le meilleur des deux mondes.
advertisement"La lumière est le moyen préféré de communiquer avec les qubits, mais vous ne pouvez pas leur connecter directement les contacts", a déclaré l'auteur principal Sergei Kalinin d'Ornl."Le problème avec la lumière visible est que ses longueurs d'onde varient d'environ 380 nanomètres pour Violet à environ 700 nanomètres pour le rouge.C'est trop grand parce que nous voulons faire des appareils que quelques nanomètres en taille.Ce travail vise à créer un cadre pour déplacer la technologie au-delà de la loi de Moore et de l'électronique classique.Si vous essayez de mettre en jeu «léger» et «petit», c'est exactement là que la plasmonique entre en jeu."
Et s'il y a un grand avenir en plasmonique, la réalisation dirigée par ORNL peut aider à surmonter un décalage de la taille du signal qui menace l'intégration des composants faits de différents matériaux.Ces composants hybrides devront se «parler» dans les dispositifs optoélectroniques de nouvelle génération.La plasmonique peut combler l'écart.
Des phénomènes plasmoniques ont d'abord été observés dans les métaux, qui sont conducteurs en raison de leurs électrons libres.L'équipe ORNL a utilisé des cubes en semi-conducteur transparent qui se comporte comme un métal - l'oxyde d'indium dopé avec de l'étain et du fluor.
Le fait que le cube soit un semi-conducteur est la clé de son accordage énergétique.L'énergie d'une onde légère est liée à sa fréquence.Plus la fréquence est élevée, plus la longueur d'onde est courte.Les longueurs d'onde de lumière visible apparaissent à l'œil humain comme couleurs.Parce qu'un semi-conducteur peut être dopé - c'est-à-dire qu'une petite impureté peut être ajoutée - sa longueur d'onde peut être décalée sur le spectre.
Les cubes de l'étude étaient chacun de 10 nanomètres de large, ce qui est beaucoup plus petit que la longueur d'onde de la lumière visible.Synthétisées à l'Université du Texas à Austin par Shin-Hum Cho et Delia Miliron, les cubes ont été placés dans un détergent pour empêcher l'agrément et pipeté sur un substrat, où ils se sont auto-assemblés dans un tableau bidimensionnel.Une coquille de détergent a entouré chaque cube, les espaçant uniformément.Une fois le détergent enlevé, les tableaux ont été envoyés à Ornl.
advertisement"Que les cubes ne touchent pas directement est important pour le comportement collectif", a déclaré Roccapriore, qui a organisé les cubes en structures diverses."Chaque cube a individuellement son propre comportement plasmon.Lorsque nous les réunissons dans des géométries comme un nanofil, ils se parlent et produisent de nouveaux effets qui ne sont généralement pas vus dans des géométries similaires qui ne sont pas composées d'éléments individuels."
L'étude s'appuie sur des travaux antérieurs pour sculpter des structures tridimensionnelles aussi petites qu'un nanomètre avec un faisceau d'électrons."Le document actuel prouve que l'effet plasmonique, ainsi que la structure, peuvent être sculptés", a déclaré Roccapriore."En fin de compte, nous sommes intéressés par l'onde électronique - où est-ce et quelle est son énergie? Nous contrôlons ces deux choses."
Kalinin a ajouté: "Nous voulons passer de l'utilisation de ce qui existe dans la nature par hasard pour fabriquer des matériaux avec les bonnes réponses.Nous pouvons prendre un système de cubes, éclairer la lumière et canaliser l'énergie en petits volumes localisés exactement où nous voulons qu'ils soient."
Le projet était un naturel pour Roccapriore, qui a mené beaucoup de lithographie à faisceau d'électrons à l'école supérieure et a même construit une machine dans son garage pour fabriquer et mourir des structures imprimées en 3D.Chez ORNL, expérimentant le faisceau d'un microscope électronique, il a ajusté son courant pour passer intentionnellement de l'imagerie au mode de modification.Il a constaté qu'il pouvait retirer des morceaux de cubes ou des cubes entiers d'un tableau pour fabriquer des objets à motifs à volonté.Il a également découvert que, tout comme l'ajout d'éléments chimiques permet le réglage des énergies du cube, il en va de même pour l'élimination sélective des éléments chimiques.Une telle précision atomique est possible avec la microscopie électronique à transmission à balayage, ou la tige.
La clé pour caractériser le comportement plasmonique dans les cubes uniques et parmi les assemblages collectifs des cubes était une technique appelée spectroscopie d'énergie d'énergie électronique.Il utilise un instrument de tige avec un faisceau d'électrons filtré sur les énergies dans une plage étroite.Le faisceau perd de l'énergie lorsque ses électrons traversent l'échantillon, interagissent avec les électrons dans le matériau et transfèrent un peu d'énergie au système par des plasmons excitants.
La spectroscopie de perte d'énergie électronique fournit des informations approfondies sur la physique exotique et les phénomènes quantiques liés au comportement plasmonique ", a déclaré le co-auteur Andrew Lupini d'Ornl, qui a aidé à cartographier les énergies des électrons dans les cubes et les réseaux de cubes.Lupini est l'un des développeurs de la tige corrigée par aberration, qui a rendu les avancées pionnières possibles."La spectroscopie de perte d'énergie électronique nous permet d'analyser les réponses plasmoniques évolutives en temps réel lorsque les cubes sont sculptés.Nous pouvons comprendre les relations entre les arrangements de cubes et leurs propriétés plasmoniques."
Les scientifiques prévoient de créer une bibliothèque de relations entre les matériaux, les structures et les propriétés plasmoniques.Cette nouvelle connaissance fournira la compréhension fondamentale nécessaire pour éventuellement produire des structures en masse qui peuvent orienter le flux de lumière dans les nanocircuits plasmoniques.Selon Roccapriore, "l'idée est de comprendre les relations utilisant l'apprentissage automatique, puis d'automatiser le processus."
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