Gli scienziati dell'EPFL hanno scoperto come controllare la trasmissione del segnale ottico, aprendo la strada all'integrazione della plasmonica con i circuiti elettronici convenzionali.
Quando la luce colpisce un metallo in determinate circostanze, genera un'onda di densità degli elettroni sulla sua superficie, come lanciare un sasso nell'acqua. Questa onda è chiamata plasmone, ed è piccolo e rapido, che avviene alle frequenze ottiche. plasmonica, lo studio dei plasmoni, ha riscosso un enorme interesse in tutto il mondo in quanto potrebbe offrire un modo per collegare circuiti elettronici e ottici in tecnologie come computer, creare processori superveloci. Però, l'integrazione della plasmonica con i normali circuiti elettronici richiede la capacità di controllare i plasmoni. In un emozionante Nano lettere pubblicazione, Gli scienziati dell'EPFL che collaborano con il Max Plank Institute hanno scoperto come i plasmoni possono essere controllati in termini di energia e spazio.
Le fibre ottiche hanno già cambiato il modo in cui comunichiamo utilizzando la luce per trasmettere dati digitali e larghezze di banda elevate e su lunghe distanze, ma richiedono "fili" relativamente ingombranti che sono essenzialmente tubi a quattro strati con interni riflettenti. D'altra parte, i cavi elettrici sono più sottili e più facili da fabbricare, ma trasmettono i dati a una velocità molto inferiore. La plasmonica ha il potenziale per collegare l'ottica con l'elettronica e combinare i loro vantaggi senza i loro svantaggi.
L'idea è semplice:utilizzare la luce per codificare e trasmettere dati a frequenze ottiche attraverso la superficie di un cavo elettrico convenzionale. Spesso indicato come "luce su un filo", la plasmonica è diventata un campo in rapida crescita che promette molte nuove entusiasmanti tecnologie. Questi includono biosensori estremamente sensibili, telecomunicazioni notevolmente migliorate e una nuova generazione di processori per computer in grado di funzionare a velocità ultraveloci. Poiché i plasmoni sono onde di elettroni di superficie eccitati piuttosto che movimento di particelle reali, la trasmissione plasmonica può essere di ordini di grandezza più veloce della trasmissione elettronica.
Gli scienziati del Max-Planck-EPFL Center for Molecular Nanoscience and Technology ci hanno ora avvicinato a un'era della plasmonica, dimostrando che gli orbitali molecolari della superficie di un metallo agiscono come minuscoli cancelli che possono controllare i plasmoni energeticamente e spazialmente. Il più grande ostacolo nell'integrazione della plasmonica nei circuiti elettronici convenzionali è che i dispositivi prototipo devono essere nanocostruiti. Ciò significa che richiedono interfacce controllabili tra nanoelettronica e nanoottica. I ricercatori hanno scoperto che la soluzione risiede nei singoli orbitali molecolari:funzioni matematiche che descrivono le nuvole di elettroni che si formano quando gli atomi si uniscono in una molecola.
Guidato da Klaus Kern, il team ha utilizzato un microscopio a effetto tunnel (STM) per esaminare i complessi di iridio raffreddati a una temperatura dello zero assoluto (5 gradi Kelvin). La microscopia STM sfrutta il tunneling degli elettroni da una superficie metallica a una punta metallica molto affilata che può essere scansionata sulla superficie del metallo. Sulla strada per la punta, alcuni degli elettroni perdono energia. Questa energia eccita oscillazioni (plasmoni) sulla superficie metallica e sulla punta e può essere quindi osservata mediante l'emissione di luce in un rivelatore ottico.
I dati del team hanno mostrato che l'eccitazione dei plasmoni può essere controllata attivamente da una singola molecola. Studiando un complesso di iridio, hanno scoperto che i suoi orbitali molecolari – in effetti i particolari livelli energetici – agiscono come minuscole porte che determinano la generazione di plasmoni sia energeticamente che spazialmente, anche in aree più piccole della molecola stessa. Infatti, in molecole la cui struttura elettronica è nota, è possibile prevedere sia l'energia che la posizione delle oscillazioni generate, il che significa che ora è possibile controllare effettivamente la generazione di plasmoni a livello di singola molecola.
Gli scienziati ritengono che questo fenomeno non sia limitato esclusivamente al complesso dell'iridio, ma dovrebbe applicarsi anche ad altre molecole organiche. La scoperta avrà un impatto significativo sulla progettazione di futuri dispositivi basati su plasmoni, poiché apre la strada al controllo dell'eccitazione elettrica delle nanostrutture plasmoniche fino a, e anche sotto, il livello di una singola molecola, e può consentire l'integrazione diretta di nanostrutture plasmoniche nei circuiti elettronici convenzionali.
