I dispositivi plasmonici combinano la "super velocità" dell'ottica con la "super piccola" della microelettronica. Questi dispositivi mostrano effetti quantistici e promettono come possibili elementi di circuiti ultraveloci, ma l'attuale lavorazione dei materiali limita questo potenziale. Ora, un team di ricercatori con sede a Singapore ha utilizzato un nuovo processo fisico, noto come tunneling plasmonico quantistico, dimostrare la possibilità di dispositivi plasmonici quantistici pratici.

Il tunneling è un aspetto intrigante della meccanica quantistica in base al quale una particella è in grado di attraversare una barriera classicamente insormontabile. Teoricamente, il tunneling plasmonico quantistico è evidente solo quando i componenti plasmonici sono molto vicini tra loro, entro mezzo nanometro o meno. Però, ricercatori dell'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, l'A*STAR Institute of High Performance Computing e la National University of Singapore sono stati in grado di osservare gli effetti quantistici tra materiali distanziati di più di un nanometro.

Hanno studiato il tunneling degli elettroni attraverso uno spazio tra due cubi di argento su scala nanometrica rivestiti con un monostrato di molecole. La microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione ha mostrato che questi nanocubi si autoassemblavano in coppie. La separazione, e quindi la distanza di tunneling, tra le nanoparticelle potrebbe essere controllato dalla scelta della molecola di superficie, tra 0,5 e 1,3 nanometri nei casi testati.

Il monostrato di molecole aveva un'altra funzione:fornire un controllo elettronico molecolare sulla frequenza della corrente del tunnel oscillante, che potrebbe essere sintonizzato tra 140 e 245 terahertz (1 terahertz =1012 hertz), come è stato dimostrato dalla spettroscopia di perdita di energia di elettroni monocromatici.

Previsioni teoriche, supportato da risultati sperimentali, ha confermato la natura delle correnti tunnel assistite da plasmoni tra i cubi d'argento. "Mostriamo che è possibile far brillare la luce su un piccolo sistema di due cubi d'argento ravvicinati (vedi immagine) e generare una corrente tunnel che oscilla molto rapidamente tra questi elettrodi d'argento, " spiega il ricercatore A*STAR Michel Bosman. "L'oscillazione è di diversi ordini di grandezza più veloce delle tipiche velocità di clock nei microprocessori, che attualmente operano nel regime dei gigahertz (=109 hertz)." Allo stesso tempo, i risultati dimostrano anche la possibilità dell'elettronica molecolare terahertz.

Due fattori hanno contribuito al successo degli esperimenti. Primo, i nanocubi avevano superfici atomicamente piatte, massimizzando la superficie di tunneling tra le due nanoparticelle. Secondo, il gap riempito dalla molecola ha aumentato il tasso di tunneling, rendendo possibile misurare il tunneling quantistico assistito da plasmoni.

"Ora useremo diverse molecole nella fessura del tunnel per scoprire fino a che punto possono essere portate le correnti del tunnel, e in quale gamma possiamo sintonizzare la frequenza di oscillazione, "dice Bosman.