Микроэлектроника стремится к увеличению частоты передачи данных, чтобы мобильные телефоны, компьютеры и даже томографические аппараты работали эффективнее. Потенциально передавать объем данных порядка Тбит/с, а это в разы больше, чем способны широко используемые сейчас сверхвысокие частоты (СВЧ), можно при помощи терагерцевых (ТГц) частот.
Для того, чтобы работать на ТГц частотах, можно использовать фотонные методы, где носителями информации будут не привычные объемные электромагнитные волны, а поверхностные, одной из разновидностей которых являются поверхностные плазмон-поляритоны. Специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) работают на уникальном источнике терагерцевого излучения – Новосибирском лазере на свободных электронах (НЛСЭ). С помощью данного излучения они научились генерировать плазмон-поляритоны и изучать, как они взаимодействуют с различными материалами – кандидатами для создания плазмонных интегральных схем, а также оценивать и управлять их возможными размерами.
Для этого физики создали новое оптическое устройство и отработали на нем методику, позволяющую продвигаться в решении задач по исследованию оптических свойств материалов и миниатюризации интегральных схем. Результаты экспериментов с золотом, покрытым слоем сульфида цинка, подтверждают эффективность работы устройства и метода. Они опубликованы в журнале Plasmonics (Springer Nature).
«Электронные устройства: компьютеры, мобильные телефоны, телевизоры и медицинское оборудование – все они работают на транзисторных микросхемах, размеры которых дошли до своего технологического предела, – прокомментировал старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Василий Герасимов. – Элементы меньше 15 нанометров уже не могут корректно использоваться из-за квантовых эффектов, а также сильно растет их энергопотребление. А если мы хотим повысить частоту обработки данных, к чему все и стремятся, хотим процессор, например, на несколько десятков или сотен гигагерц, уйти в терагерцевый диапазон, то нам просто необходимо использовать другие подходы. Сделать это возможно, работая на стыке фотоники и плазмоники. Возможности двух этих взаимодополняющих областей оптоэлектроники позволяют переводить фотоны – оптические сигналы – из объемной геометрии в планарную, то есть поверхностную, в те самые плазмон-поляритоны».
Поверхностные плазмон-поляритоны (ППП) представляют собой комплекс связанных колебаний поверхностной электромагнитной волны и волны свободных зарядов на поверхности проводника. В терагерцевом диапазоне частот они могут быть носителями информации в плазмонных компонентах фотонных устройств. Основное преимущество ППП в том, что они способны устранить основной «ограничитель» минимизации размеров фотонных микросхем – дифракцию. Это свойство волн устанавливает минимально возможный размер элементов, который обычно составляет порядка половины длины волны света.
Из-за дифракции свет рассеивается при попытке ограничить его в элементах, меньших этой величины. Это вызывает потери и искажение сигнала, нежелательную связь между компонентами и не позволяет бесконечно уменьшать компоненты схемы. ППП могут локализовать электромагнитное излучение на границе раздела металл/диэлектрик, тем самым открывая возможность работать с субволновым вертикальным масштабом. Благодаря уникальному источнику терагерцевого излучения НЛСЭ специалисты ИЯФ СО РАН могут создавать ППП и использовать их как инструмент исследования материалов для плазмонных компонентов будущего, и как объект – в том случае, когда измеряется локализация поля ППП.
«Новосибирский лазер на свободных электронах – источник мощного терегерцевого и инфракрасного излучения, аналогов которому нет не только в России, но и в мире. По средней мощности он в десятки и более раз превышает другие существующие в мире ТГц источники, что позволяет проводить уникальные эксперименты в очень широкой области длин волн (от 8 до 403 микрометров), – добавила младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Валерия Кукотенко. – Используя излучение нашего НЛСЭ, мы разработали оптическое устройство для реализации нового метода определения глубины проникновения поля плазмон-поляритонов в воздух над поверхностью материала проводника. В данном случае мы работали с золотым напылением толщиной 1 микрометр, покрытым слоем сульфида цинка такой же толщины. Устройство мы создавали и постоянно улучшали в течение трех лет. В последнюю версию мы добавили возможность измерять отражение ППП от проводящего экрана и оценивать их дифракционные потери. Важным достоинством данного метода является то, что он неинвазивный – теперь все исследования мы проводим, не касаясь хрупкого образца и не деформируя его».
По словам специалистов, они закончили отработку метода, определили границы его применимости. «Метод экранирования на нашем оптическом устройстве показал свою эффективность. Благодаря учету дифракционных потерь мы смогли наиболее корректно измерить глубину проникновения ППП в воздух, то есть ту самую локализацию поля. Также из экспериментальных данных мы определили эффективную диэлектрическую проницаемость приповерхностного слоя золота в терагерцевом диапазоне и ее дисперсию, которые ранее не были известны. Наличие метода и оборудования для получения подобных данных будут необходимы при разработке плазмонных интегральных схем, например, на основе графена или углеродных нанотрубок, и определения вертикальных размеров их элементов. В зависимости от материала ввозможности нашего устройства позволят работать даже с очень тонкими (порядка сотен нанометров) материалами», – пояснила Валерия Кукотенко.
Информация о локализации плазмонного поля у поверхности проводника, получаемая с помощью метода экранирования в ИЯФ СО РАН, будет актуальна и для других исследований. Например, для разработки и проектирования компактных ТГц-генераторов (гиротронов), работающих на частотах выше 1 ТГц – их созданием совместно с сотрудниками ИЯФ занимаются в Институте прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН.