Μερικές παράξενες ιδιότητες του φωτός και τα πλασμόνια

Άρθρο, Φεβρουάριος 2004

Η κλασσική οπτική μας διδάσκει ότι όταν φως προσπίπτει σε μια επιφάνεια γεμάτη από τρύπες με διαστάσεις μικρότερες από το μήκος κύματός του, η περίθλαση που παθαίνει είναι τόσο ισχυρή ώστε ελάχιστο μέρος του μόνο διέρχεται από τις τρύπες. Πειράματα όμως έδειξαν ότι μεγάλα ποσά της ακτινοβολίας μπορούν να περάσουν από τέτοιες τρύπες σε ένα κατάλληλα χαραγμένο φύλο χρυσού. Ο παράξενος μηχανισμός που εξηγεί το φαινόμενο είναι τα πλασμόνια.

Σύμφωνα με την κλασσική οπτική, αν φωτίσουμε την επιφάνεια ενός υλικού, δεν θα μπορέσουμε να διακρίνουμε λεπτομέρειες που έχουν διαστάσεις μικρότερες από το μήκος κύματος του φωτός που χρησιμοποιούμε. Ο περιορισμός αυτός είναι γνωστός ως περιθλαστικό όριο.

Κάτι τέτοιο δεν συμβαίνει μόνο με το φως. Αν ρίξουμε δύο πέτρες σε μεγάλη απόσταση μεταξύ τους στην επιφάνεια μιας λίμνης, οι κυκλικοί κυματισμοί που δημιουργούνται δεν αλληλοεπικαλύπτονται και παρατηρώντας τους κανείς μπορεί να διακρίνει ότι έχουν δημιουργηθεί από δύο διαφορετικές πέτρες. Αν όμως οι δυο πέτρες πέσουν κοντά η μια στην άλλη, οι κυματισμοί που δημιουργούν συμβάλλουν μεταξύ τους με αποτέλεσμα να μη μπορούμε να διακρίνουμε ότι οφείλονται σε δύο διαφορετικές πέτρες ή σε περισσότερες.

Το ίδιο συμβαίνει όταν μονοχρωματικό φως προσπίπτει στην επιφάνεια ενός αντικειμένου. Η ακτινοβολία σκεδάζεται από τα σημεία της επιφάνειας, και έτσι τα κύματα που μπορούμε να διακρίνουμε είναι αυτά που προέρχονται από σημεία τα οποία απέχουν μεταξύ τους απόσταση μεγαλύτερη από το μήκος κύματος που χρησιμοποιήσαμε.

Ας φανταστούμε τώρα ότι φως προσπίπτει σε ένα μεταλλικό στρώμα που είναι γεμάτο από τρύπες με διαστάσεις μικρότερες από το μήκος κύματός του. Η περίθλαση που παθαίνει το φως προς όλες τις κατευθύνσεις είναι τόσο ισχυρή, ώστε ένα μικρό μόνο μέρος της ενέργειας της ακτινοβολίας καταφέρνει να περάσει από τις τρύπες. Το μεγαλύτερο μέρος της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας εγκλωβίζεται στην επιφάνεια

Ας πάμε όμως πίσω στα 1989 όταν ο Thomas Ebbesen του ερευνητικού ινστιτούτου NEC στο Princeton του New Jersey, πειραματίστηκε με ένα ειδικό φύλο χρυσού. Αυτό έφερε περίπου 100 εκατομμύρια μικροσκοπικές τρύπες, καθεμιά με διάμετρο περίπου 300nm (νανόμετρα). Το νανόμετρο είναι το ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου. 400nm είναι περίπου το μήκος κύματος του μπλε φωτός, και είναι το πιο μικρό μήκος κύματος που μπορούμε να δούμε. Το κόκκινο φως έχει το πιο μεγάλο μήκος κύματος που μπορούμε να δούμε, περίπου 700nm.

Έτσι αυτές οι 100 εκατομμύρια τρύπες είχαν διαμέτρους μικρότερες από το πιο μικρό μήκος κύματος που είναι ορατό. Είναι σαν να προσπαθούμε να περάσουμε μια μπάλα του μπάσκετ μέσα από μια τρύπα με μέγεθος όσο μια μπάλα του τένις. Απλούστατα δεν χωράει να περάσει. Θα σκεδαστεί από τα τοιχώματα της τρύπας. Ακόμα και η κβαντομηχανική η οποία μιλάει για την πιθανότητα να περάσει μια τέτοια ακτινοβολία από την τρύπα, εκτιμά ότι μόνο το 1/1000 της ενέργειας του φωτός θα καταφέρει να περάσει μέσα από τις τρύπες. Αλλά ας ξεχάσουμε τις προβλέψεις της θεωρίας.

Ο Thomas Ebbesen μέτρησε ότι ποσοστό μεγαλύτερο από το 100% της ενέργειας του φωτός που προσπίπτει στις τρύπες από τη μια πλευρά, περνούσε μέσα από τις τρύπες στην άλλη πλευρά και εξερχόταν.

Έβγαινε περισσότερο φως απ' ότι εισερχόταν στις τρύπες!

Ήταν σαν το μέταλλο να συνέλεγε το φως και κατά μαγικό τρόπο το διοχέτευε από την άλλη πλευρά στην έξοδο των οπών.

Ο  Ebbesen επανέλαβε τα πειράματα αυτά και με διαφορετικούς τρόπους και βρήκε ότι μέχρι και 50% του φωτός που προσπίπτει σε ορισμένα μεταλλικά στρώματα, διέρχεται από αυτά, παρόλο που οι τρύπες καλύπτουν μόνο το 20% της επιφάνειάς τους. Είναι σαν κάποιο παράθυρο ν' αφήνει να περνάει τόσο φως όσο και μια ανοιχτή πόρτα διπλάσιου μεγέθους. Κανείς δεν μπορούσε να εξηγήσει αυτά τα παράξενα αποτελέσματα, κι έτσι δεν τόλμησε τότε να τα δημοσιεύσει πουθενά.

Η κατάσταση άλλαξε όταν το 1998 ο Peter Wolff,  ένας θεωρητικός φυσικός συνάντησε την ομάδα του NEC. Ο Wolff ασχολείτο με τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων στην επιφάνεια ενός μετάλλου. Γνώριζε ήδη ότι τα ηλεκτρόνια στην επιφάνεια ενός μετάλλου περιπλανώνται ελεύθερα, και πάνω σ' αυτή τη δισδιάστατη θάλασσα των ηλεκτρονίων σχηματίζονται κυματισμοί που λέγονται "επιφανειακά πλασμόνια".

Οι φυσικοί λένε ότι αυτά τα παράξενα κύματα είναι "συλλογικές ηλεκτρονιακές διεγέρσεις" ή κύματα πυκνότητας φορτίου", τα οποία χαρακτηρίζονται από έντονα ηλεκτρομαγνητικά πεδία που συμπυκνώνονται στην επιφάνεια. Με πιο απλά λόγια τα ηλεκτρόνια σύμφωνα με τις αρχές της κβαντομηχανικής συμπεριφέρονται ως κύματα, και τα κύματα αυτά απλώνονται στην επιφάνεια του μετάλλου όπως περίπου απλώνονται τα κύματα στην επιφάνεια μιας λίμνης, όταν περνάνε κάποια πλεούμενα.

Ο Wolff λοιπόν κατάλαβε ότι η ερμηνεία των παρατηρήσεων του Ebessen to 1989 είχε ως εξής: Από μια εκπληκτική σύμπτωση, υπήρχε ένα πολύ στενό ταίριασμα του προσπίπτοντος φωτός και των πλασμονίων. Το προσπίπτον φως και τα πλασμόνια είχαν κατά σύμπτωση την ίδια ενέργεια και ορμή. Έτσι το προσπίπτον φως δημιουργούσε πλασμόνια σ' αυτή τη θάλασσα των ηλεκτρονίων στην επιφάνεια και στη συνέχεια τα  πλασμόνια αυτά ταξίδευαν μέσα από τις τρύπες στην άλλη άκρη τους, και όταν έφταναν στην άλλη όψη του μεταλλικού φύλου, κατέρρεαν και το φως που μετέφεραν επανεκπεμπόταν. Τα πλασμόνια συσσωρεύουν την ενέργεια του φωτός γύρω από τις επιφανειακές τρύπες, συμπυκνώνοντας το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, και δημιουργώντας έτσι ένα ισχυρότατο τοπικά πεδίο που αποτελεί και το κλειδί για πολλές από τις εφαρμογές τους.

Έτσι παρότι φαίνεται ότι είναι το φως που διέρχεται μέσα από τις τρύπες, αυτό που συμβαίνει είναι η μετατροπή του προσπίπτοντος φωτός σε πλασμόνια, η διέλευση των πλασμονίων από τις μικροσκοπικές οπές, και κατόπιν η μετατροπή τους στην άλλη πλευρά του μεταλλικού στρώματος ξανά σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.

Μια από τις σημαντικότερες εφαρμογές των πλασμονίων είναι στην κατασκευή νανοκυκλωμάτων (κυκλώματα με μέγεθος μερικών δεκάδων νανομέτρων.) Η χρησιμότητά τους είναι η εξής:

Το μήκος κύματος της ακτινοβολίας που μεταφέρεται από τις οπτικές ίνες τις οποίες χρησιμοποιούμε για γρήγορη μετάδοση δεδομένων, είναι περί τα 650 nm, περίπου 5 φορές μεγαλύτερο από το μέγεθος των σημερινών τρανζίστορς που υπάρχουν στους επεξεργαστές όπου οι οπτικές ίνες μεταφέρουν τα δεδομένα τους. Για να γίνει δυνατή η επικοινωνία των οπτικών ινών με τους υπολογιστές, μεσολαβεί η χρήση φωτοδιόδων, οι οποίες μετατρέπουν το οπτικό σε ηλεκτρικό σήμα το οποίο στη συνέχεια ενισχύεται.

Οι συσκευές λοιπόν που χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή του φωτεινού σήματος σε ηλεκτρικό βάζουν περιορισμούς στην προσπάθεια περαιτέρω μείωσης του μεγέθους των κυκλωμάτων των επεξεργαστών.

Αναζητούνται λοιπόν τρόποι απευθείας μεταφοράς του οπτικού σήματος στα ηλεκτρικά κυκλώματα. Εδώ λοιπόν έρχεται η χρήση κυματοδηγών φτιαγμένων από νανοσωματίδια με μέγεθος αρκετά μικρότερο από το μήκος κύματος που χρησιμοποιούμε στους οποίους εκμεταλλευόμαστε το σχηματισμό πλασμονίων για να μεταφέρουν την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.