Российские исследователи разработали плазмонные кристаллы с регулируемыми частотами колебаний электронов в полупроводниках. Это открывает путь к терагерцевой связи и сверхскоростной квантовой электронике.
Российские физики подтвердили, что в полупроводниковых структурах с затвором типа «решетка» можно создавать плазмонные кристаллы — периодические системы, в которых электроны перестают вести себя как отдельные частицы и начинают колебаться согласованно, формируя плазмоны. Результаты работы были опубликованы в журнале Physical Review Research.
Структура представляет собой двумерный электронный канал под металлической решеткой. Разные области канала имеют различные плотности носителей, что создает «электронную периодичность» — аналог кристаллической решетки, созданной не атомами, а плазмой (ионизированным газом). Исследования показывают, что скорость плазмонных волн в такой структуре может достигать 3,8×10⁵ м/с, а резонансы — находиться в терагерцовом диапазоне.
Ширину и положение «запретных зон» (bandgap) можно варьировать с помощью электрического тока или внешнего электромагнитного поля. Это открывает возможность контроля поведения плазмонов в реальном времени.
Эра после кремния
Терагерцовый диапазон — новая «чаша святого Грааля» для разработчиков. Существующие электронные устройства почти не функционируют на терагерцевых частотах — между микроволнами и инфракрасным диапазоном. Это так называемая «THz-долина», где фотонные технологии слишком громоздки, а традиционная электроника — слишком медлительна. Плазмонные кристаллы могут заполнить эту нишу, обеспечивая работу на частотах, недоступных обычным транзисторам.
Плазмонные резонансы ведут себя как электронные колебания и как аналоги световых волн в материале. Это позволяет объединить достоинства фотоники и электроники — быстрые сигналы при размерах меньше длины волны света.
Потенциальные области применения плазмонных кристаллов в телекоммуникациях:
- Терагерцовая беспроводная связь (формат 6G и выше);
- Передача данных со скоростью терабит в секунду;
- Миниатюрные антенны для ультракоротких волн;
- Защищенные каналы проводной связи (используется затухание THz-сигналов даже на небольшом расстоянии от источника).
Терагерцовый диапазон рассматривается как основа будущих поколений связи — плазмонные кристаллы могут стать сердцевиной таких передатчиков и приемников. Технология также имеет потенциал в разработке сверхчувствительного оборудования для сканирования и контроля доступа, систем досмотра в аэропортах и на режимных предприятиях, а также биомедицинских сканеров. Терагерцовые волны проникают через ткани и материалы, но не ионизируют их в отличие от рентгеновских лучей.
Плазмоны могут быть использованы в системах неразрушающего контроля на производстве (в настоящее время там применяют опасное гамма-излучение), а также в средствах распознавания химических веществ и биологических агентов. Они очень чувствительны к окружению и могут использоваться для выявления присутствия токсинов, биомолекул, газов и наночастиц — при концентрациях, недоступных обычным сенсорам.
Квантовый мир
Еще одно многообещающее направление — ускоренная обработка данных и миниатюрные чипы. Совмещение электроники и плазмоники открывает возможности для создания пикосекундных логических элементов, компактных преобразователей частоты и гибридных оптоэлектронных процессоров.
Кроме того, на основе плазмонных кристаллов можно создать новые поколения квантовых устройств. Плазмонные моды способны взаимодействовать с квантовыми состояниями, что открывает перспективы для плазмон-квантовых интерфейсов, миниатюрных источников квантового света и управляемых когерентных состояний в чипах.