In den letzten Jahrzehnten hat sich das Gebiet der Datenverarbeitungs- und -übertragungstechnologie in rasantem Tempo weiterentwickelt. Dieses Wachstum ist auf das Moore’sche Gesetz zurückzuführen, das voraussagt, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Mikrochip etwa alle zwei Jahre verdoppeln wird, wodurch die Halbleiterindustrie elektronische Geräte kleiner, schneller und effizienter machen kann.
Elektronische Verbindungen haben jedoch aufgrund von Verzögerungen und thermischen Problemen, die die Kapazität begrenzen, zu Herausforderungen bei der Datenübertragung geführt. Um dieses Problem anzugehen, haben sich Forscher der Verwendung optischer Wellen anstelle elektronischer Signale zugewandt. Optische Wellen bieten eine erhebliche Informationsübertragungskapazität und minimale Verluste, aber die Herausforderung liegt darin, photonische Geräte ebenso wie elektronische Komponenten zu miniaturisieren.
Betreten Sie die Plasmonik, ein Forschungsgebiet, das Photonik im Mikromaßstab und Elektronik im Nanomaßstab kombiniert, um diese Einschränkung zu überwinden [1]. Durch die Verwendung von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (SPPs) zur Übertragung von Lichtenergie zwischen nanophotonischen Geräten bietet die Plasmonik ein hohes Maß an Begrenzung und überwindet die Einschränkungen herkömmlicher dielektrischer Wellenleiter. Mit Plasmonik ist es möglich, Licht im Nanomaßstab zu manipulieren und eine Welt voller Möglichkeiten für die Zukunft der Datenverarbeitung zu schaffen.
Es ergibt sich jedoch eine erhebliche Herausforderung darin, gleichzeitig längere Ausbreitungslängen und stark eingeschränkte SPP-Modi zu erreichen. Hier kommt die Floquet-Technik ins Spiel. Diese Spitzentechnologie transformiert die Quantenmaterialtechnik durch hochintensive periodische Ansteuerung und ermöglicht es Forschern, Materie auf eine Weise zu manipulieren, die zuvor als unmöglich galt [2, 3].
Um dieser Herausforderung zu begegnen, haben wir einen umfassenden theoretischen Rahmen vorgeschlagen, der Quantenelektrodynamik in Verbindung mit Floquet-Engineering verwendet, um die Ausbreitungslänge von SPP-Modi zu verbessern [4]. Durch Modifizieren der elektrischen und optischen Eigenschaften von Metallnanostrukturen in plasmonischen Wellenleitern ist es möglich, die SPP-Ausbreitungslängen erheblich zu erhöhen.
Es wurde beobachtet, dass die Ausbreitungslänge von SPP-Moden (Surface Plasmon Polariton) aufgrund einer Erhöhung der Leitfähigkeit des Metalls zunimmt, wenn ein metallisches System dieser besonderen Form von Licht (Dressing Field) ausgesetzt wird. Dies lässt sich dadurch erklären, dass SPPs durch die kollektive Bewegung von Elektronen im Metall entstehen und der Energieverlust des Metalls auf Elektronenstreuung zurückzuführen ist. Das Ankleiden durch das externe Feld modifiziert die Wellenfunktionen und damit die Raten, was die Leitfähigkeit verbessern und die Ausbreitungslänge von SPP-Moden erhöhen kann.
Schließlich wurden die plasmonischen und leitfähigen Eigenschaften gängiger plasmonischer Metalle, einschließlich Silber (Ag), Gold (Au), Kupfer (Cu) und Aluminium (Al), unter Beleuchtung mit einer bestimmten Form von Licht unter Verwendung von Computersimulationen auf der Grundlage von analysiert Code, der speziell geschrieben wurde, um diese neuartige Beobachtung zu untersuchen. Auf der Grundlage der Bewertung wurde festgestellt, dass mehrere Metalle aufgrund ihrer steuerbaren Leitfähigkeitsreaktion für die Anwendung sehr geeignet sind. Diese Entdeckung könnte in naher Zukunft zur Entwicklung effizienter und fortschrittlicher plasmonischer Datenverarbeitungsgeräte, Schaltkreise und Komponenten im Nanomaßstab führen.
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Mehr Informationen:
[1]. Malin Premaratne und Govind P. Agrawal, Theoretische Grundlagen von Quantengeräten im Nanomaßstab, Cambridge University Press (2021). doi.org/10.1017/9781108634472
[2]. Kosala Herath und Malin Premaratne, Verallgemeinertes Modell für die Ladungstransporteigenschaften von gekleideten Quanten-Hall-Systemen, Körperliche Überprüfung B (2022). DOI: 10.1103/PhysRevB.105.035430
[3]. Kosala Herath und Malin Premaratne, Polarisationseffekt an gekleideten plasmonischen Wellenleitern, Neue Bildgebungs- und Sensortechnologien für Sicherheit und Verteidigung VII (2022). DOI: 10.1117/12.2635710
[4]. Kosala Herath und Malin Premaratne, Floquet Engineering of Dressed Surface Plasmon Polariton Modes in Plasmon Waveguides, Körperliche Überprüfung B (2022). DOI: 10.1103/PhysRevB.106.235422
Bio:
Kosala Herath ist Ph.D. Kandidat und Mitglied des Advanced Computing and Simulations Laboratory (qdresearch.net/) an der Electrical and Computer System Engineering, Monash University, Australien. Er erhielt seinen B.Sc. Abschluss in Elektro- und Telekommunikationstechnik (mit Auszeichnung) von der University of Moratuwa, Sri Lanka im Jahr 2018. Derzeit konzentriert sich seine Forschung auf die Bereiche Nanoplasmonik, niederdimensionaler Elektronentransport und Floquet-Systeme. Er ist Mitglied von SPIE.
Malin Premaratne erwarb mehrere Abschlüsse an der University of Melbourne, darunter einen B.Sc. in Mathematik, einen BE in Elektrotechnik und Elektronik (mit Auszeichnung) und einen PhD 1995, 1995 bzw. 1998. Seit 2004 leitet er das Forschungsprogramm in High-Performance-Computing-Anwendungen für komplexe Systemsimulationen am Advanced Computing and Simulation Laboratory der Monash University, Clayton. Derzeit ist er Vizepräsident des Academic Board der Monash University und a Ordinarius. Neben seiner Arbeit an der Monash University ist Professor Premaratne auch Gastwissenschaftler an mehreren renommierten Institutionen, darunter das Jet-Propulsion Laboratory am Caltech, die University of Melbourne, die Australian National University, die University of California Los Angeles, die University of Rochester New York und der Universität Oxford. Er hat mehr als 250 Zeitschriftenartikel und zwei Bücher veröffentlicht und war als Mitherausgeber für mehrere führende akademische Zeitschriften tätig, darunter IEEE Photonics Technology Letters, IEEE Photonics JournalUnd OSA Fortschritte in Optik und Photonik. Die Beiträge von Professor Premaratne auf dem Gebiet der Optik und Photonik wurden mit zahlreichen Stipendien gewürdigt, darunter der Fellow der Optical Society of America (FOSA), der Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers USA (FSPIE), des Institute of Physics UK (FInstP ), der Institution of Engineering and Technology UK (FIET) und dem Institute of Engineers Australia (FIEAust).