Плазмонные резонаторы для цепей с терагерцовым диапазоном частот

Совместные усилия исследователей Национального университета Сингапура (NUS) и специалистов компании A*STAR привела к открытию возможности работы цепей с частотами в сотни терагерц, что в десятки тысяч раз превышает частоту современных процессоров.

Исследователи работали с физическим процессом под названием квантовое плазмонное туннелирование, за счёт которого происходит изменение молекул в электронных компонентах и достижение частоты работы цепей в сотни терагерц. Теоретически в будущем, такие цепи могут использоваться для построения сверхбыстрых компьютеров либо одиночных молекулярных детекторов, что открывает новые возможности для наноэлектронных устройств.

Давно известно, что свет может взаимодействовать с определёнными металлами, при этом возможен его захват в форме плазмонов – совокупности сверхбыстрых колебаний электронов, работа с которыми может проводиться на наноуровне.

Так называемые режимы квантовых плазмонов в масштабах длин атомов были теоретически предсказаны ранее. Однако передовые технологические процессы способны работать с длинами на 5 нм больше. Именно поэтому квантовые плазмонные эффекты было сложно исследовать.

Исследователи Кристиан Нижху, Бай Пин и Майкл Босман показали, что работа с квантовой плазмоникой возможна при длинах волн, используемых в реальных системах. Они успешно создали элемент молекулярной электронной цепи с применением двух плазмонных резонаторов.

Резонаторы, связанные молекулярным слоем с толщиной в одну молекулу, захватывают свет в виде плазмонов. Слой молекул активируется эффектом квантового плазмонного туннелирования, позволяя работать в терагерцовом диапазоне частот.

Доктор наук Босман применил метод электронной микроскопии для визуализации и измерения с нанометровым разрешением оптоэлектронных свойств новых резонаторов. Результаты измерений показали наличие квантового плазмонного режима, скорость которого регулируется путём изменения молекулярных свойств устройств.

Доктор Бай реализовал моделирование с квантовой коррекцией и подтвердил то, что квантовые плазмонные свойства могут управляться молекулярными электронными устройствами на частоте, превышающей в 10 тыс. раз частоту современных процессоров.

«Мы очень довольны новыми результатами. Наша команда первой напрямую исследовала эффекты квантового плазмонного туннелирования. Кроме того, мы показали теоретически и экспериментально, что очень быстрое переключение возможно в молекулярных электронных устройствах», – отмечают исследователи.

Вполне возможно, что результаты работы исследователей открыли новые последовательности проектирования в сфере плазмонной электроники, сочетающей преимущества наноэлектроники с высокой скоростью работы, типичной для оптических устройств. Работа исследователей была опубликована в научном журнале «Science» 28 марта 2014 г.