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, можно при помощи терагерцевых 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 работают на уникальном источнике терагерцевого излучения — Новосибирском лазере на свободных электронах. С помощью этого излучения исследователи научились генерировать плазмон-поляритоны, 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. Итоги 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 Валерьевич Герасимов. — Элементы меньше 15 нанометров уже не могут корректно использоваться из-за квантовых эффектов, также сильно растет их энергопотребление. Если мы хотим повысить частоту обработки данных, к чему все и стремятся, то нам просто необходимо использовать другие подходы. Например, 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, что 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 специалисты ИЯФ СО РАН могут создавать и использовать ППП: как инструмент исследования материалов для плазмонных компонентов будущего и как объект — в том случае, когда измеряется локализация поля.
«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», — добавила младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Валерия Дмитриевна Кукотенко.
По словам специалистов, они закончили отработку метода и 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 возможности 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.
Пресс-служба ИЯФ СО РАН
