В этом новом изобретении используется новый физический процесс, называемый «квантовое плазмонное туннелирование». Изменяя молекулы в молекулярном электронном устройстве, частота цепей может быть изменена в режиме сотен терагерц. Новые схемы потенциально могут быть использованы для создания сверхбыстрых компьютеров или детекторов одиночных молекул в будущем и откроют новые возможности в наноэлектронных устройствах.
Исследование финансируется Национальным исследовательским фондом (NRF) и A * STAR, и результаты исследования были впервые опубликованы в научном журнале Science 28 марта 2014 г.
Стремление быть супер-маленьким и сверхбыстрым
Свет используется как носитель информации и передается по оптоволоконным кабелям. Фотонные элементы большие, но они работают на чрезвычайно высоких частотах в 100 терагерц — примерно в 10 000 раз быстрее, чем настольный компьютер.
Но современные современные наноэлектронные устройства работают на гораздо меньших по длине масштабах, что очень затрудняет сочетание сверхбыстрых свойств фотонных элементов с электроникой наномасштабов.
Ученым давно известно, что свет может взаимодействовать с некоторыми металлами и может быть захвачен в виде плазмонов, которые представляют собой коллективные сверхбыстрые колебания электронов, которыми можно манипулировать в наномасштабе. Теоретически предсказано, что так называемые квантовые плазмонные моды возникают на атомных масштабах.
Однако современные технологии производства могут достигать масштабов длины только примерно на пять нанометров больше, поэтому квантово-плазмонные эффекты трудно исследовать.
В этом знаменательном исследовании группа исследователей продемонстрировала, что квантовая плазмоника возможна в масштабах длины, которые полезны для реальных приложений. Исследователи успешно изготовили элемент молекулярной электронной схемы, используя два плазмонных резонатора, которые представляют собой структуры, которые могут улавливать свет в форме плазмонов, соединенных слоем молекул толщиной ровно в одну молекулу.
Слой молекул включает квантовые эффекты плазмонного туннелирования, позволяя схемам работать на терагерцовых частотах.
Доктор Босман использовал передовую технику электронной микроскопии для визуализации и измерения оптоэлектронных свойств этих структур с нанометровым разрешением. Измерения показали существование квантовой плазмонной моды и то, что ее скорость можно контролировать, изменяя молекулярные свойства устройств.
Выполнив моделирование с квантовой коррекцией, доктор Бай подтвердил, что квантовыми плазмонными свойствами можно управлять в молекулярных электронных устройствах на частотах в 10000 раз быстрее, чем в современных процессорах.
Объясняя важность результатов, Ассист-профессор Нейхейс сказал: «Мы очень взволнованы новыми открытиями. Наша команда первая, кто непосредственно наблюдает квантовые эффекты плазмонного туннелирования. Это также первый случай, когда исследовательская группа теоретически и экспериментально продемонстрировала, что очень быстрое переключение на оптических частотах действительно возможно в молекулярных электронных устройствах."
Результаты открывают возможные новые пути проектирования плазмонной электроники, сочетающей наноэлектронику с быстродействием оптики.
Дальнейшие исследования
Чтобы продолжить свои исследования, профессор Ниджхейс и его команда займутся решением проблем, возникающих в ходе их работы, таких как интеграция этих устройств в реальные электронные схемы.
Они также разрабатывают новые идеи, которые развиваются на основе этих результатов.