Свет в туннеле

Свет в туннеле

Резюме

Фотонные полости являются неотъемлемой частью многих современных оптических устройств. Характеристика плазмонных мод этих полостей является сложной из-за их крошечного размера, что затрудняет доступ с помощью внешних сигналов.

Исследователи из Автономного университета Мадрида, IMDEA Nanociencia и IFIMAC разработали новый метод изготовления и характеристики фотонных полостей атомного размера путем использования эффекта механо-квантового туннеля. Это открытие может иметь основополагающее значение для разработки оптоэлектронных устройств нанометрических размеров.

Тело

Фотонные полости являются неотъемлемой частью многих современных оптических устройств, от лазерной указки до микроволновой печи. Так же, как мы можем хранить воду в резервуаре и создавать стоячие волны на поверхности воды, мы можем ограничивать свет в фотонном резонаторе, стены которого сильно отражают. Так же, как поверхностные волны воды зависят от геометрии резервуара (форма, глубина), в фотонной полости могут создаваться определенные оптические моды, свойства которых (цвет и пространственное распределение интенсивности) можно настраивать, изменяя размеры полости. Когда размер полости очень мал, намного меньше, чем длина волны света, ограничивающего ее (нанополость в случае видимого света), создается эффект усиления света, который настолько силен, что воздействует на электроны на стенки полости. Затем образуется смесь между фотонами и электронами, в результате чего возникают гибридные моды между светом и веществом, известные как плазмоны.

Плазмоны в оптических нано-полостях чрезвычайно важны для многих применений, таких как химические датчики, которые позволяют обнаруживать отдельные молекулы, или производство нанолазеров, которые могут работать практически без потребления электрического тока. Однако характеристика этих плазмонных мод обычно очень сложна из-за крошечного размера полостей, который чрезвычайно затрудняет доступ к ним с помощью внешних сигналов.

С другой стороны, туннельный эффект является одним из наиболее характерных, загадочных и наиболее хорошо документированных эффектов квантовой механики. В туннельном процессе частица (например, электрон) может проходить через узкий барьер (пространство, которое разделяет два металла на нанометрических расстояниях), несмотря на то, что ей не хватает энергии для его преодоления. Это как если бы мы могли перейти с одной стороны на другую Великой китайской стены, не перепрыгивая через нее. Каким бы невероятным это ни казалось, частицы из квантового мира могут делать это при определенных условиях. В большинстве этих процессов энергия частицы до и после процесса одинакова. Однако в небольшой части этих событий частица может отказаться от части своей энергии, например, генерируя свет, который известен как неупругий туннельный процесс. Хотя хорошо известно, что свойства света, излучаемого в неупругом туннельном процессе между двумя металлами, зависят от плазмонных мод, существующих в полости, это также сильно зависит от распределения энергии частиц, выполняющих туннельный процесс. До сих пор было невозможно однозначно провести различие между этими двумя эффектами и, следовательно, извлечь информацию о плазмонных модах из анализа света, испускаемого туннельным эффектом.

Исследователи из Университета Мадрида, IMDEA Nanociencia и IFIMAC разработали метод для решения этой проблемы путем одновременного определения распределения энергии туннельных электронов и света, излучаемого в сканирующем туннельном микроскопе. Они использовали эффект туннелирования для создания оптических резонаторов с атомными размерами и исследования их оптических свойств, впервые раскрывая вклады энергии туннелирующих частиц из-за эффектов, создаваемых плазмонными модами в резонаторе.

Эта работа предлагает новую методологию для характеристики взаимодействия света с веществом при атомных размерах и может иметь важные технологические последствия для разработки химических сенсоров отдельных молекул, новых источников одиночных или чересстрочных фотонов или нанолазеров, которые активны в чрезвычайно низкая мощность накачки.

Исследование было опубликовано в престижном журнале Nature Communications.

Источник: http://nanociencia.imdea.org

Source link