Plazmonikos perspektyva

Visą pasaulį apraizgiusiais optiniais kabeliais sklinda šviesos signalai, kurie perneša didelius balso ryšio ir duomenų srautus. Šios milžiniškos išgalės davė postūmį idėjai, kad fotoniniai įtaisai, t. y. įtaisai, kurie nukreipia ar valdo regimąją šviesą ir kitas elektromagnetines bangas, vieną dieną gali pakeisti elektronines mikroprocesorių grandines ir kitokius kompiuterių lustus. Deja, fotoninių įtaisų matmenis ir charakteristikas sąlygoja difrakcijos riba: dėl glaudžiai išsidėsčiusių šviesos bangų interferencijos optinės skaidulos, kuria perduodama šviesa, plotis turi būti ne mažesnis kaip pusė bangos ilgio medžiagos viduje. Lustu pagrįstų optinių signalų, kurie galėtų naudoti 1500 nanometrų (milijardųjų metro dalių) bangos ilgio artimąją infraraudonąją spinduliuotę, minimalus plotis gerokai viršija mažiausių šiuo metu naudojamų elektroninių įtaisų matmenis. Pavyzdžiui, kai kurie silicio integrinių grandynų tranzistoriai turi topologinius elementus, mažesnius nei 100 nanometrų.

Vis dėlto neseniai mokslininkai sukūrė naują būdą perduoti optinius signalus mažyčiuose nanometrinių matmenų dariniuose. Devintajame praeito amžiaus dešimtmetyje mokslininkai eksperimentiškai patvirtino, kad nukreipus šviesos bangas į metalo ir dielektriko (nelaidžios medžiagos, tokios kaip oras ar stiklas) skiriamąjį paviršių tam tikromis sąlygomis gali atsirasti rezonansinė elektromagnetinių bangų ir metalo paviršiuje esančių laisvųjų elektronų (laidžiuose metaluose elektronai nėra stipriai surišti su atskirais medžiagos atomais arba molekulėmis) sąveika. Kitaip tariant, elektronų virpesiai paviršiuje atitinka elektromagnetinio lauko virpesius metalo išorėje. Šio atitikimo rezultatas yra paviršinių plazmonų, t. y. elektronų tankio bangų, kurios sklinda išilgai metalo ir dielektriko skiriamojo paviršiaus, generavimas – kaip vandens bangų, kurios pasklinda tvenkinyje įmetus akmenį, atsiradimas.

Per pastarąjį dešimtmetį tyrėjai išsiaiškino, kad tinkamai parinkus įvairius metalo ir dielektriko skiriamojo paviršiaus parametrus galima generuoti tokio pat dažnio paviršinius plazmonus, kaip ir išorinių elektromagnetinių bangų, tačiau žymiai mažesnio bangos ilgio. Šis reiškinys leistų plazmonams judėti išilgai nanometrinių laidų, vadinamų vidiniais sujungimais, ir perneštų informaciją iš vienos mikroprocesoriaus dalies į kitą. Plazmoniniai vidiniai sujungimai būtų didelis patogumas lustų projektuotojams – šie galėtų sukurti dar mažesnius ir spartesnius tranzistorius, nors turėtų rūpesčių gamindami smulkiausias elektronines grandines, kurios galėtų sparčiai pernešti duomenis per lustą.

2000 m. mano grupė iš Kalifornijos technologijų instituto Caltech šiai sparčiai plėtojamai disciplinai davė pavadinimą plazmonika. Numatėme, kad tyrimai šioje srityje atves prie visiškai naujų technologijų sukūrimo. Plazmoninius komponentus bus galima taikyti įvairiuose prietaisuose, pavyzdžiui, juos naudojant bus galima padidinti mikroskopų skiriamąją gebą, šviesos diodų našumą bei biologinių ir cheminių detektorių jautrį. Mokslininkai svarsto ir jų taikymo medicinoje galimybes, pavyzdžiui, sukurti mažas daleles, kurios gali naudoti plazmonų rezonansinę sugertį, galinčią sunaikinti vėžinius navikus. Kai kurie tyrinėtojai mano, kad tam tikros plazmoninės medžiagos galėtų keisti aplink objektą esantį elektromagnetinį lauką taip, kad pats objektas būtų nematomas. Nors ne visos potencialios galimybės bus realizuotos, tyrėjai studijuoja plazmoniką su didžiausiu užsidegimu, nes naujoji sritis žada atskleisti nanopasaulį dengiančią mistiškumo skraistę.

Mažinant bangos ilgius

Visą tūkstantmetį alchemikai ir stiklo gamintojai patys to nežinodami naudodavosi plazmonikos efektais kurdami vitražinius langus ir spalvotas taures, kuriose stiklas buvo jungiamas su metalu. Pats žymiausias pavyzdys yra Likurgo taurė (žr. iliustraciją). Ši romėnų taurė, dabar esanti Britų muziejuje, buvo sukurta ketvirtame mūsų eros šimtmetyje. Dėl stiklo matricoje kybančiose metalinėse dalelėse esančių elektronų plazmoninių sužadinimų taurė sugeria ir išsklaido mėlyną bei žalią šviesas, t. y. palyginti trumpesnes regimojo spektro bangas. Stebint atspindėtoje šviesoje, plazmonų sklaida suteikia taurei žalią atspalvį, bet kai baltos šviesos šaltinis yra taurės viduje, taurė šviečia raudonai, nes ji praleidžia ilgesnes bangas ir sugeria trumpesnes.

Pirmas paviršinių plazmonų tyrimas prasidėjo 9 praeito amžiaus dešimtmetyje, kai šį reiškinį pastebėjo chemikai, naudodami Ramano spektroskopiją, kurią sudarė lazerio šviesos sklaidos nagrinėjimas, bandant iš molekulių virpesių nustatyti tiriamos medžiagos struktūrą. 1989 m. Tomas Ebesenas (Thom Ebbesen), tuo metu NEC tyrimų instituto Japonijoje darbuotojas, atrado, kad apšvietus ploną auksinę plėvelę, turinčią milijonus mikroskopinių skylučių, folija kažkokiu būdu praleidžia daugiau šviesos negu turėtų, sprendžiant iš skylučių skaičiaus ir jų matmenų. Po devynerių metų Ebesenas su kolegomis nutarė, kad folijoje esantys paviršiaus plazmonai sustiprina elektromagnetinės energijos perdavimą į kitą plėvelės pusę.

Susidomėjimas plazmonika išaugo atradus naujas „metamedžiagas“ (medžiagas, kuriose elektronų virpesiai sukelia netikėtas optines savybes) (žr. The Quest for the superlens , John B. Pendry, David R. Smith; Scientific American, 2006 liepa). Plazmonikos plėtojimą paspartino dar dvi priežastys: kompiuterių skaičiavimo galios padidėjimas, kuris padėjo mokslininkams tiksliai aprašyti plazmonų generuojamus sudėtingus elektromagnetinius laukus, bei naujoviški nanometrinių darinių konstravimo metodai, leidžiantys sukurti ir išbandyti ypač mažus plazmoninius įtaisus ir grandines.

Iš pirmo žvilgsnio metalinių darinių naudojimas šviesos signalams perduoti atrodo nepraktiškas, nes metalai pasižymi dideliais optiniais nuostoliais. Elektromagnetiniame lauke virpantys elektronai susiduria su šalia esančiais atomais ir greitai išsklaido lauko energiją. Tačiau plono metalo sluoksnio ir dielektriko skiriamojoje riboje plazmoniniai nuostoliai yra mažesni nei metalo viduje, nes elektromagnetinis laukas prasiskverbia į nelaidžią medžiagą.

Dielektrike nėra laisvų virpančių elektronų, vadinasi, nėra ir energiją sklaidančių susidūrimų. Ši savybė natūraliai sulaiko plazmonus su dielektriku besiliečiančio metalo paviršiuje. Sluoksnainyje, sudarytame iš metalo ir dielektriko sluoksnių, paviršiniai plazmonai sklinda tik plonoje sandūros plokštumoje (žr. viršutinę iliustraciją).

Kadangi šis planarusis plazmoninis darinys veikia kaip bangolaidis, nukreipiantis elektromagnetines bangas išilgai metalo ir dielektriko skiriamosios ribos, plazmonai gali būti naudingi nukreipiant signalus luste. Nors optinis signalas metaluose patiria didesnius nuostolius nei dielektrikuose, tokiuose kaip stiklas, plonasluoksniuose metaliniuose bangolaidžiuose prieš išnykdami plazmonai gali nueiti keletą centimetrų. Sklidimo kelio ilgį galima padidinti, bangolaidyje panaudojant asimetrinę modą. Ši išstumia didesnę elektromagnetinės energijos dalį iš metalo sluoksnio, nukreipia ją į šį sluoksnį supantį dielektriką, ir taip sumažina energijos nuostolius. Kadangi elektromagnetiniai laukai metalinio sluoksnio viršuje ir apačioje tarpusavyje sąveikauja, plazmonų dažnis ir bangos ilgis gali būti keičiami parenkant sluoksnio plotį. Paskutiniame praeito amžiaus dešimtmetyje tyrėjų grupės, vadovaujamos Sergejaus Boževolno (Sergey Bozhevolnyj) iš Alborgo universiteto Danijoje ir Pjero Berini (Pierre Berini) iš Otavos universiteto, sukūrė planariuosius plazmoninius komponentus, galinčius atlikti daugelį funkcijų (pavyzdžiui, nukreiptųjų bangų padalijimą), kurias paprastai atlieka dielektriniai įtaisai. Šie dariniai gali būti naudojami perduoti duomenis iš vienos lusto dalies į kitą, tačiau plazmonus lydintys elektromagnetiniai laukai yra per stiprūs, kad juos būtų galima naudoti perduoti signalui tarp nanometrinių dalių paties procesoriaus viduje.

Siekdami sukurti plazmonus, galinčius sklisti nanometriniuose laiduose, tyrėjai išstudijavo sudėtingesnius bangolaidinius darinius, kurie galėtų sumažinti bangos ilgį, jei ši būtų siauroje erdvės srityje. Pačioje praeito amžiaus pabaigoje mano laboratorijos grupė ir tyrėjų komanda, vadovaujama Joachimo Kreno (Joachim Krenn) iš Graco universiteto Austrijoje, bandė pagaminti šiuos „dalinio bangos ilgio“ paviršinių plazmonų bangolaidžius. Štefanas Majeris (Stefan Maier), dirbdamas kartu su manimi Kalifornijos technologijų universitete, pagamino darinį, sudarytą iš linijomis išdėstytų aukso taškelių, mažesnių nei 100 nanometrų skersmens. Regimosios šviesos 570 nanometrų bangos ilgio pluoštelis sužadina rezonansinius virpesius taškuose, kurie generuoja paviršinius plazmonus, judančius išilgai taškų grandinėlės ir uždarytus 75 nanometrų aukščio suplotame kanale. Graco universiteto grupė gavo panašius rezultatus su plazmonais, judančiais išilgai tokios grandinėlės. Šių nanometrinių laidų sugerties nuostoliai buvo santykiškai dideli, dėl to signalas, nusklidęs nuo kelių šimtų nanometrų iki kelių mikronų (milijonosios metro dalys), išnykdavo. Taigi šie bangolaidžiai tinka tik labai trumpiems vidiniams sujungimams.

Vis dėlto šiuos sugerties nuostolius galima sumažinti konstruojant plazmoninius bangolaidžius išvirkščiai, t. y. dedant dielektriką į branduolį ir apsupant jį metalu (žr. vidurinę iliustraciją). Šiame įtaise, vadinamame plazmoniniu plyšiniu bangolaidžiu, keičiant dielektriko branduolio storį, galima reguliuoti plazmonų bangos ilgį. Mano laboratorija Kalifornijos technologijų universitete ir Marko Brongersmos (Mark Brongersma) grupė iš Stenfordo universiteto įrodė, kad plazmoniniai plyšiniai bangolaidžiai gali pernešti signalą iki kelių dešimčių mikronų atstumu. Hidekis Mijadzakis (Hideki Miyazaki) iš Nacionalinio medžiagotyros instituto Japonijoje gavo puikų rezultatą suspaudę raudoną 651 nanometro šviesą plazmoniniame plyšiniame bangolaidyje, kuris buvo tik trijų nanometrų storio ir 55 nanometrų pločio. Tyrėjai aptiko, kad per įtaisą sklindančių paviršinių plazmonų bangos ilgis sumažėja iki 51 nanometro arba sudaro tik 8 proc. laisvaerdvio bangos ilgio.

Regimąja šviesa sužadintose medžiagose plazmonai taip pat gali generuoti minkštosios rentgeno spinduliuotės bangas (nuo 10 iki 100 nanometrų). Bangos ilgis gali būti sumažinamas beveik 10 kartų, palyginti su bangos ilgiu vakuume, nes signalo dažnis išlieka toks pat. (Esminis sąryšis, kad šviesos greitis lygus bangos ilgiui, padaugintam iš dažnio, išlieka nepakitęs, nes elektromagnetinės bangos lėtėja sklisdamos metalo ir dielektriko paviršiumi.) Ši ypatinga savybė, leidžianti suspausti bangos ilgį, atveria galimybę naudoti plazmonus kuriant plazmoninius darinius, kurie galėtų pakeisti iš laidų ir tranzistorių sudarytas elektronines grandines. Kaip litografijos būdu spausdinami paveikslai ant silicio lustų, panašiai galėtų būti masiškai gaminami plazmoniniai įtaisai su siaurų dielektrinių juostelių ir plyšių matrica. Šios matricos nukreiptų teigiamojo ir neigiamojo krūvio bangas metalo paviršiuje. Kintamas krūvio tankis būtų panašus į įprastais laidais tekančią kintamąją srovę. Kadangi optinio signalo dažnis yra žymiai didesnis nei elektros – daugiau kaip 400 tūkst. gigahercų, palyginti su 60 hercų – plazmoninė grandinė galėtų pernešti žymiai daugiau duomenų. Kadangi elektros krūvis nejuda iš vieno plazmoninės grandinės galo į kitą – elektronai susitelkia ir išplinta, t. y. nesklinda viena kryptimi – įtaisas nepasižymi varžiniais ir talpiniais efektais, kurie riboja integrinių grandynų su vidiniais elektriniais sujungimais duomenų pralaidos gebą. Plazmoninės grandinės būtų žymiai spartesnės ir naudingesnės, jei tyrėjai galėtų sukurti plazmoninį jungiklį – trijų gnybtų plazmoninį įtaisą, pasižymintį tranzistoriaus savybėmis. Mano laboratorija Calteche ir kitos tyrėjų grupės neseniai sukūrė tokio mažos galios jungiklio pavyzdį. Jei mokslininkams pavyktų pagaminti plazmoninius jungiklius, pasižyminčius geresnėmis darbinėmis charakteristikomis, šie įtaisai galėtų tapti ultrasparčios signalų apdorojimo sistemos pagrindu. Ši pažanga po 10–20 metų iš esmės pakeistų skaičiavimo techniką.

Nanometriniai apvalkalai ir nematomos skraistės

Plazmoninių įtaisų naudojimo galimybės neapsiriboja skaičiavimo technika. Naomi Halas (Naomi Halas) ir Peteris Nondlanderis (Peter Nordlander) iš Raiso universiteto sukūrė nanometrinius apvalkalus iš plono aukso sluoksnio (apie 10 nanometro storio). Jais padengė visą 100 nanometrų skersmens silicio rutuliuko paviršių. Elektromagnetinio lauko veikiami aukso apvalkalo viduje susikuria elektronų virpesiai. Dėl laukų apvalkalo vidiniame ir išoriniame paviršiuje tarpusavio sąveikos galima taip parinkti dalelės matmenis ir aukso sluoksnio storį, kad, vykstant rezonansui, nanometrinis apvalkalas sugertų tik tam tikro bangos ilgio šviesą. Taip tyrėjai gali sukurti nanometrines daleles, kurių sugeriamų bangų ilgių sritis kistų nuo kelių šimtų nanometrų (mėlynoji regimosios šviesos spektro sritis) iki beveik 10 mikronų (artimoji infraraudonoji spektro sritis).

Dėl šios nanometrinių apvalkalų savybės jie laikomi įrankiu, iš kurio daug tikimasi ieškant vėžio gydymo būdų. 2004 m. Dženifer Vest (Jennifer West), dirbdama su kolegomis iš Raiso universiteto, nanometrinių apvalkalų įleido į pelių, turinčių vėžio navikų, kraują ir pastebėjo, kad dalelės nėra toksinės. Nanometrinės dalelės daugiausia kaupėsi graužikų vėžinėse, o ne sveikose ląstelėse, nes sparčiai augančiuose navikuose kraujo apytaka yra spartesnė. (Nanometrinius apvalkalus taip pat galima jungti su antikūnais, siekiant paveikti vėžines ląsteles.)

Yra žinoma, kad žmogaus ir gyvūnų audiniai yra skaidrūs tam tikro bangos ilgio infraraudonajai spinduliuotei. Kai tyrėjai apšvietė pelės odą ir vidinius audinius artimosios infraraudonosios srities lazerio spinduliuote, dėl rezonansinės sugerties audiniuose esančių nanometrinių apvalkalų temperatūra pakilo nuo 37 ºC iki 45 ºC.

Taip fototerminis šildymas sunaikino vėžines ląsteles, bet nepalietė aplink esančių sveikų ląstelių. Pelėms, gydomoms naudojant nanometrinius apvalkalus, visi vėžio požymiai dingo per 10 dienų, o kontrolinės grupės negydomų pelių navikai toliau sparčiai augo. Bostone esanti Nanospectra Biosciences bendrovė stengiasi gauti leidimą atlikti klinikinius tyrimus su pacientais, sergančiais galvos ir kaklo vėžiu.

Plazmoninės medžiagos taip pat galėtų padaryti perversmą apšvietimo įrenginių pramonėje. Šviesos diodai galėtų šviesti taip pat ryškiai, kaip ir kaitinamosios lemputės. Jau devintajame XX a. dešimtmetyje tyrėjai atrado, kad plazmonų stiprinamas elektrinis laukas metalo ir dielektriko skiriamajame paviršiuje gali padidinti liuminescencinių dažų, kurias padengtas metalas, spinduliavimo spartą. Neseniai išsiaiškinta, kad toks lauko stiprinimas taip pat gali gerokai padidinti kvantinių taškų ir duobių – šviesą sugeriančių ir spinduliuojančių mažyčių puslaidininkinių darinių – spinduliavimo spartą ir kietųjų šviesos diodų spinduliavimo našumą bei skaistį. 2004 m. mano kolega Akselis Šereris (Axel Scherer), kartu su bendradarbiais iš Japonijos Nichia korporacijos parodė, kad padengus galio nitrido šviesos diodo paviršių plazmoninėmis nanometrinėmis dalelėmis, pagamintomis iš sidabro, aukso ir aliuminio, spinduliuojamos šviesos intensyvumą galima padidinti keturiolika kartų.

Dar daugiau, naudojant plazmonines nanometrines daleles galima būtų gaminti šviesos diodus iš silicio, kuris atmetamas dėl mažos spinduliavimo galios. Tokie įtaisai būtų žymiai pigesni, palyginti su dabar naudojamais šviesos diodais, pagamintais iš galio nitrido ar galio arsenido. Mano tyrėjų grupė iš Caltecho, drauge su Olandijos mokslininkų grupe, vadovaujama Alberto Polmano (Albert Polman) iš Atominės ir molekulinės fizikos FOM instituto, įrodė, kad sujungus sidabro arba aukso plazmoninius nanometrinius darinius su silicio kvantinių taškų matricomis, spinduliuojamos šviesos intensyvumą galima būtų padidinti apie 10 kartų. Taip pat keičiant nanometrinių dalelių matmenis įmanoma reguliuoti spinduliuojamos šviesos dažnį. Mūsų skaičiavimai parodė, kad parinkus plazmonų rezonansinį dažnį ir tiksliai atskyrus metalinių dalelių bei puslaidininkio medžiagas, spinduliavimo spartą galima padidinti iki 100 kartų. Taigi silicio šviesos diodai šviestų taip pat skaisčiai, kaip ir tradiciniai įtaisai.

Mokslininkai dirba ir ieškodami plazmoninių lazerių analogų. Markas Stokmanas (Mark Stockman) iš Džordžijos universiteto ir Deividas Bergmanas (David Bergman) iš Tel Avivo universiteto aprašė tokio įtaiso, pavadinto SPASER (angl. surface plasmon amplification of simulated emission of radiation – paviršinių plazmonų priverstinės spinduliuotės stiprinimas), fizikinius pagrindus. Nors SPASER’is egzistuoja tik teoriškai, mokslininkai siūlė būdų jį gaminti naudojant puslaidininkinius kvantinius taškus ir metalines daleles. Kvantinių taškų spinduliuojama energija būtų perduodama plazmonams, kurie būtų stiprinami plazmoniniame rezonatoriuje. Kadangi SPASER’io kuriami plazmonai būtų išsidėstę mažoje erdvės dalyje, palyginti su lazerio pluošteliu, įtaisas galėtų veikti labai mažos galios režimu ir selektyviai sužadinti labai mažus objektus. Dėl to SPASER’į naudojanti spektroskopija būtų žymiai jautresnė ir leistų sukurti pavojingųjų medžiagų detektorius, galinčius aptikti mažiausius chemikalų ar virusų kiekius.

Ko gero, pati nuostabiausia plazmonikos taikymo sritis būtų nematomos skraistės sukūrimas. 1897 m. pasirodžiusiame romane Nematomas žmogus H. G. Velsas (H. G. Wells) pasakoja apie jauną mokslininką, atradusį, kaip padaryti savo kūno lūžio rodiklį lygų oro lūžio rodikliui. Tai leidžia jam tapti nematomam. Medžiagos lūžio rodiklis yra lygus šviesos greičių vakuume ir medžiagoje santykiui. Kai plazmoninį darinį veikia spinduliuotė, kurios dažnis artimas rezonansiniam darinio dažniui, gali susikurti sąlygos, kuriomis darinio lūžio rodiklis pasidaro lygus oro lūžio rodikliui. Tada darinys neatspindi ir neiškreipia šviesos, bet ją sugeria. Tačiau, jei jis būtų padengtas perduodamą signalą stiprinančia medžiaga, kaip ir rezonatorius SPASER įtaise, spinduliuotės intensyvumo padidėjimas kompensuotų nuostolius dėl sugerties. Taip darinys galėtų būti nematomas bent jau pasirinktoje dažnių srityje.

Tikra nematoma skraistė turėtų paslėpti visą darinio vidų ir veikti visuose regimosios šviesos dažniuose. Sukurti tokį įtaisą būtų labai sudėtinga, tačiau, kai kurių fizikų nuomone, įmanoma. 2006 m. Džonas B. Pendris (John B. Pendry) ir jo kolegos iš Londono imperatoriškosios kolegijos parodė, kad metamedžiagų apvalkalas bent jau teoriškai galėtų nukreipti į jį patenkančias elektromagnetines bangas aplink sferinę sritį apvalkalo viduje (žr. paveikslėlį viršuje).

Nors Velso nematomas žmogus galbūt niekada nepasirodys realybėje, šios mokslininkus įkvepiančios idėjos rodo, kokiomis ypatingomis optinėmis savybėmis pasižymi plazmonų laukas. Nagrinėdami elektromagnetinių bangų ir laisvųjų elektronų sąveiką, tyrėjai atrado naujų būdų perduoti duomenis integriniuose grandynuose ir apšviesti mūsų namus bei kovoti su vėžiu. Tolesnis šių įdomių plazmoninių reiškinių tyrimas gali atvesti prie dar didesnių išradimų ir atradimų.

Apie autorių

Haris A. Atvoteris (Harry A. Atwater) yra Kalifonijos technologijų instituto Taikomosios fizikos ir medžiagotyros profesorius. Jo tyrimų sritis – fotoninių įtaisų, kurių matmenys yra mažesni už krintančios šviesos bangos ilgį, naudojimas kompiuterijoje, vizualizavimo ir atsinaujinančios energijos taikmenims. Be to, jo vadovaujama grupė aktyviai tiria naujų medžiagų naudojimą saulės energijai generuoti, taip pat cheminiam kurui, veikiant saulei, generuoti.

Straipsnio tekstinė ir vaizdinė medžiaga priklauso "Scientific American lietuviškas leidimas" žurnalui ir be redakcijos sutikimo draudžiama kopijuoti ar kitaip atgaminti straipsnyje panaudotą informaciją.