Μερικές παράξενες ιδιότητες του φωτός και τα πλασμόνιαΆρθρο, 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 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. 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. 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. 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. |