Исследователи из США сделали волноводы для магнитных плазмонов из "спаянных" органических молекул. Структуры позволяют управлять перемещением магнитных плазмонов, что не представляется возможным с обычными электронными плазмонами. Это может привести к новому семейству наноразмерных фотонных устройств.
Как правило, свет не может быть сфокусирован в пятно меньше половины его длины волны - это около 300 нм для видимого света. Тем не менее, в последние годы ученым удалось сфокусировать свет вплоть до нанометровых расстояний путем взаимодействия его с плазмонами на поверхностях металлических наноструктур. Эти поверхностные плазмоны являются коллективными возбуждениями электронов проводимости металла; они объединяются со светом и создают поверхностные плазмонные поляритоны (ППП), которые ведут себя как свет, но имеют существенно более короткие длины волн. ППП находятся в центре новой технологии под названием "наноплазмоника", внимание которой концентрируется на использовании металлических наноструктур для разработки миниатюрных устройств оптоэлектроники.
В своем последнем исследовании, Наоми Халас (Naomi Halas) и его коллеги из Университета Райса в Хьюстоне заинтересовались магнитными плазмонами, которые образуются, когда электроны колеблются по кругу, создавая магнитный момент. В этом их отличие от обычных плазмонов, которые связаны с возвратно-поступательными колебаниями электронов. Исследователи обнаружили, что магнитные плазмоны могут распространяться на расстояние до нескольких микрометров вдоль сопряженной цепи искусственных ароматических молекул, называемых хептамерами (heptamers). Это гораздо больше, чем могут обычные электронные плазмоны, способные перемещаться лишь на несколько сотен нанометров вдоль линейной цепочки металлических наночастиц.
Цепь сделанная в Райсе, состоит из "спаянных" хептамеров тщательно выстроенных таким образом, что они похожи на органические ароматические молекулы хризена и трифенилена. Хептамеры состоят из кольцевых структур и поддерживают токи, которые циркулируют по ним при освещении светом инфракрасного лазера, работающего при 1500 нм.
В органической химии, кольца, как говорят, спаяны, если они совместно используют два или более атомов, объясняет член исследовательской группы На Лю (Na Liu). «В нашей работе, спаянные хептамеры совместно используют две золотые наночастицы, которые действуют как взаимные связки для эффективного токообмена между двумя соседними хептамерами», говорит она.
Халас и коллеги показали, что спаянные хептамеры могут быть использованы в качестве строительных блоков для сетей магнито-плазмонных волноводов. Исследователи сумели сделать управляющее устройство, которое может провести плазмоны по поворотам с большими углами и по Y-разветвителям, чем смогли переправлять плазмоны по двум раздельным оптическим путям. Y-разветвитель может также выступать в качестве интерферометрического устройства для переключения плазмонного распространения - включения и выключения, говорит Халас.
«Мы также сделали интерферометр Маха-Цандера, состоящий из двух последовательных Y-разветвителей, которые сначала разделяют, а потом объединяют распространяющиеся плазмоны», добавляет Лю.
По словам исследователей, субволновые плазмонные волноводы могли бы найти применение во многих областях, в том числе с малыми потерями энергии переноса, хранения данных и микроскопии ближнего поля.