A aparência aparente dessas estruturas vem da capacidade de suas superfícies de apoiar ondas coletivas de elétrons, chamados plasmons, com a mesma frequência que ondas leves, mas com muito mais aperto confinamento.As estruturas de guia de luz são medidas em nanômetros, ou bilionésimos de um metro-100.000 vezes mais fino que um cabelo humano.
"Esses sistemas de cubos em nanoescala permitem o confinamento extremo da luz em locais específicos e controle ajustável de sua energia", disse Kevin Roccapriore, da Ornl, primeiro autor de um estudo publicado na revista Small."É uma maneira de conectar sinais com escalas de comprimento muito diferentes."
O feito pode ser crítico para a computação quântica e óptica.Os computadores quânticos codificam informações com bits quânticos, ou qubits, determinados por um estado quântico de uma partícula, como seu spin.Os qubits podem armazenar muitos valores em comparação com o valor único armazenado por um bit clássico.
Luz - radiação eletromagnética que se propaga por partículas elementares sem massa chamadas fótons - substitui os elétrons como o mensageiro em computadores ópticos.Como os fótons viajam mais rápido que os elétrons e não geram calor, os computadores ópticos podem ter desempenho e eficiência energética superior aos computadores clássicos.
As tecnologias futuras podem usar o melhor dos dois mundos.
advertisement"A luz é a maneira preferida de se comunicar com Qubits, mas você não pode conectar contatos diretamente a eles", disse o autor sênior Sergei Kalinin, da ORNL,."O problema com a luz visível é que seus comprimentos de onda variam de cerca de 380 nanômetros para violeta a cerca de 700 nanômetros para vermelho.Isso é grande demais porque queremos fazer dispositivos apenas alguns nanômetros em tamanho.Este trabalho tem como objetivo criar uma estrutura para mover a tecnologia além da lei e da eletrônica clássica de Moore.Se você tentar colocar 'luz' e 'pequeno' juntos, é exatamente onde o plasmonics entra em jogo."
E se houver um grande futuro na plasmônica, a conquista liderada por ORNL pode ajudar a superar uma incompatibilidade do tamanho do sinal que ameaça a integração de componentes feitos de diferentes materiais.Esses componentes híbridos precisarão "conversar" entre si em dispositivos optoeletrônicos de próxima geração.Plasmonics pode preencher a lacuna.
Os fenômenos plasmônicos foram observados pela primeira vez em metais, que são condutores por causa de seus elétrons livres.A equipe ORNL usou cubos feitos de um semicondutor transparente que se comporta como um metal - óxido de índio dopado com estanho e fluorina.
O fato de o cubo ser um semicondutor é a chave para sua ajuste de energia.A energia de uma onda de luz está relacionada à sua frequência.Quanto maior a frequência, menor o comprimento de onda.Comprimentos de onda de luz visível aparecem ao olho humano como cores.Como um semicondutor pode ser dopado - ou seja, uma pequena impureza pode ser adicionada - seu comprimento de onda pode ser deslocado no espectro.
Os cubos do estudo tinham 10 nanômetros de largura, o que é muito menor que o comprimento de onda da luz visível.Síntesei na Universidade do Texas em Austin por Shin-Hum Cho e Delia Milliron, os cubos foram colocados em um detergente para evitar aglomerados e pipetagem em um substrato, onde se auto-montaram em uma matriz bidimensional.Uma concha de detergente cercava cada cubo, espaçando -os uniformemente.Depois que o detergente foi removido, as matrizes foram enviadas para ORNL.
advertisement"Que os cubos não tocam diretamente é importante para o comportamento coletivo", disse Roccaprie, que organizou os cubos em diversas estruturas."Cada cubo individualmente tem seu próprio comportamento plasmônico.Quando os reunimos em geometrias como um nanofio, eles conversam entre si e produzem novos efeitos que normalmente não são vistos em geometrias semelhantes que não são compostas por elementos individuais."
O estudo baseia-se em trabalhos anteriores para esculpir estruturas tridimensionais tão pequenas quanto um nanômetro com um feixe de elétrons."O artigo atual prova que o efeito plasmônico, assim como a estrutura, pode ser esculpida", disse Rocchapriore."No final do dia, estamos interessados na onda de elétrons - onde está e qual é a sua energia? Estamos controlando essas duas coisas."
Kalinin acrescentou: "Queremos fazer a transição do uso do que existe na natureza por acaso para fabricar materiais com as respostas certas.Podemos pegar um sistema de cubos, iluminar a luz e canalizar energia em pequenos volumes localizados exatamente onde queremos que eles sejam."
O projeto era natural para Roccapriore, que conduziu muita litografia de vigas de elétrons na escola de pós-graduação e até construiu uma máquina em sua garagem para fazer e as estruturas impressas em 3D da Mill 3D.Na ORNL, experimentando o feixe de um microscópio eletrônico, ele ajustou sua corrente para mudar intencionalmente da imagem para o modo de modificação.Ele descobriu que poderia remover pedaços de cubos ou cubos inteiros de uma matriz para fazer objetos padronizados à vontade.Ele também descobriu que, assim como a adição de elementos químicos permite o ajuste das energias do cubo, o mesmo acontece com a remoção seletiva de elementos químicos.Essa precisão atômica é possível com microscopia eletrônica de transmissão de varredura ou haste.
A chave para caracterizar o comportamento plasmônico em cubos únicos e entre os conjuntos de cubos coletivos era uma técnica chamada espectroscopia de perda de energia eletrônica.Ele usa um instrumento STEM com um feixe de elétrons filtrado para energias dentro de uma faixa estreita.O feixe perde energia à medida que seus elétrons passam pela amostra, interagem com elétrons no material e transferem um pouco de energia para o sistema, empolgando plasmons.
A espectroscopia de perda de energia eletrônica fornece informações profundas sobre a física exótica e os fenômenos quânticos relacionados ao comportamento plasmônico ", disse o co-autor Andrew Lupini, da ORNL, que ajudou a mapear as energias de elétrons nos cubos e matrizes de cubos.Lupini é um dos desenvolvedores da haste corrigida por aberração, o que tornou possível os avanços pioneiros."A espectroscopia de perda de energia eletrônica nos permite analisar respostas plasmônicas em evolução em tempo real, à medida que os cubos são esculpidos.Podemos descobrir as relações entre os arranjos de cubos e suas propriedades plasmônicas."
Os cientistas planejam criar uma biblioteca de relacionamentos entre materiais, estruturas e propriedades plasmônicas.Esse novo conhecimento fornecerá o entendimento fundamental necessário para eventualmente produzir estruturas de produção em massa que podem direcionar o fluxo de luz em nanocircuitos plasmônicos.De acordo com Roccapriore, "a idéia é entender os relacionamentos usando o aprendizado de máquina e depois automatizar o processo."
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