Исследователи из лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ, Института радиотехники и электроники РАН и Университета Тохоку (Япония) обосновали возможность создания источников когерентных плазмонов — ключевых элементов оптоэлектронных схем будущего. Статья с описанием идеи плазмонного генератора опубликована в журнале Physical Review B.
Фото: МФТИ
Плазмон — это квазичастица, квант плазменных колебаний, то есть коллективных колебаний электронного газа. С помощью плазмонов можно генерировать, передавать и принимать сигналы в интегральных схемах; плазмоны могут выступать посредниками между электронами и световыми волнами в высокоэффективных фотодетекторах и источниках излучения. Важно, что работающие на плазмонном принципе приборы могут быть гораздо меньшими по размеру, чем их фотонные аналоги. Наиболее «спрессованы» поверхностные плазмоны, привязанные к проводящим плоскостям, и на их основе можно создавать наиболее компактные приборы.
Ключевую проблему представляет поиск подходящих объектов, способных поддерживать поверхностные плазмоны. Уже более полувека такие объекты создают путем выращивания на подложке нескольких нанометровых слоев различных полупроводников. Создание таких гетероструктур отмечено Нобелевской премией Жореса Алферова (2000 г.).
Новые возможности открывает графен – истинно двумерный материал, он представляет собой слой углерода толщиной в один атом. За исследование уникальных свойств графена — а они радикально отличаются от свойств «классических» гетероструктур — выпускникам МФТИ Андрею Гейму и Константину Новоселову в 2010 г. присуждена Нобелевская премия. На основе графена уже созданы сверхвысокочастотные транзисторы, быстродействующие фотодетекторы и даже первые прототипы лазеров. Однако свойства графена можно обогатить еще больше, наложив его на другой слоистый материал. Таким образом можно создавать принципиально новые гетероструктуры.
В своей работе исследователи показывают, что гетероструктура из двух слоев графена, разделенных тонкой прослойкой дисульфида вольфрама, может не только поддерживать двумерные плазмоны, но и генерировать их при приложении электрического напряжения.
«Рассчитываемая нами структура,— рассказал Дмитрий Свинцов, ведущий автор исследования,— является, по сути, активной средой для плазмонов. Более привычными примерами активных сред является гелий-неоновая смесь в газовом лазере или полупроводниковый диод в лазерной указке. Проходя через такие среды, свет усиливается, а если поместить активную среду между зеркалами, то среда будет самопроизвольно генерировать свет. Комбинация «активная среда + зеркала» составляет основу лазера, а активная среда для плазмонов является необходимым элементом плазмонного лазера, или спазера. Если активную среду периодически включать и выключать, то можно получать плазмонные импульсы "по заказу", что может найти приложение для передачи сигналов в интегральных схемах. Родившиеся в активной среде плазмоны также могут "отвязываться" от слоев графена и становиться фотонами в свободном пространстве. Это дает возможность создавать перестраиваемые источники излучения терагерцового и дальнего инфракрасного диапазона».
Работа Дмитрия Свинцова, Жанны Девизоровой, Виктора Рыжия и Таичи Отсуджи на 24-м международном симпозиуме «Nanostructures: Physics and Technology» (Санкт-Петербург, июнь 2016 г.) удостоена премии Фонда Ж. А. Алферова Young Scientist Award.