Воздействие света на поверхность вызывает различные эффекты в зависимости от того, металл это или полупроводник. С помощью комбинирования этих материалов в одной наноструктуре можно достичь новых интересных свойств.

Механизмы таких эффектов описывает работа, опубликованная 12-го сентября 2008 года в журнале Physical Review Letters, где описаны взаимодействия между экситонами – возбужденными электронными состояниями в полупроводниках и плазмонами, которые существуют в металлах. Понимание деталей плазмон-экситонного взаимодействия может открыть новые возможности в конструировании оптических компьютеров, плазмонных лазеров и более мощных солнечных элементов.

Когда свет ударяет по поверхности металла, может возникнуть плазмонная поляризация, или, как ее называют, «поверхностный плазмон» – это перемещающаяся волна, обладающая электромагнитным полем и колебанием электрона. Ученые научились использовать этот эффект в качестве крошечной антенны для усиления поглощения света солнечными батареями. Другим применением этого эффекта могут служить аппараты, в которых электрический ток заменен на плазмонные волны, поскольку теоретически с помощью плазмонов можно передать большее количество информации, однако предварительно сжав эти эффекты до наноразмеров, которые заданы современными компьютерными чипами.

Зарождающееся поле плазмонных применений ограничивается тем фактом, что плазмоны существуют лишь 10–100 фемтосекунд, после чего превращаются либо в световую волну, либо в колебание атома. Задача ученых – преодолеть недостатки этого явления. Кристоф Лино (Christoph Lienau) из Университета Ольденбурга (Германия) считает, что одним из решений проблемы может стать умножение плазмонного сигнала с помощью добавления фотонов, испускаемых в результате контакта металл-полупроводник. Световые импульсы могут возбудить электроны в полупроводнике, создав экситоны, которые затем возвращаются в исходное состояние с испусканием фотонов. Но для создания такого «амплификатора» с участием экситонов и плазмонов необходимо знать о взаимодействии межу собой этих квазичастиц. Ученые уже наблюдали такого рода взаимодействия, отмечая изменения оптических свойств полупроводников, объединенных с металлом в одной наноструктуре. Открытым остался вопрос о количественном переносе энергии между этими двумя материалами.

Для изучения плазмон-экситонных взаимодействий, Лино и его коллеги создали гибридную наноструктуру, в которой четко контролировались плазмоны. На полупроводниковую пластину арсенида галлия толщиной в 10 нм наслаивали полоски из золота толщиной 360 нм, оставляя зазор между ними в 140 нм. Облучая инфракрасным лазером полоски и измеряя количество отраженного света, ученые рассчитали количество плазмонов, образующихся на верхней и нижней стороне золотых полосок. Далее, варьируя угол входящего лазера, ученые смогли изменять длину волны плазмонов. Когда длина плазмонной волны приближалась к резонансным характеристикам экситона в арсениде галлия (при 810 нм), наблюдалось уменьшение отраженного света – то есть плазмоны на обратной стороне золотой полоски взаимодействовали с экситонами полупроводника.

Рис. 1. «Золотые волны» – на рисунке изображена компьютерная модель, отражающая силу электрического поля вокруг наноразмерных золотых полосок (в поперечном разрезе), подвергаемых воздействию инфракрасного лазера (сверху)

Для объяснения полученных данных ученые построили математическую модель взаимодействия осцилляторов, согласно которой взаимодействие экситона и плазмона составило 8 мэВ, из чего следует, что для перехода из плазмона в экситон необходимо 250 фемтосекунд.

«Количественные значения можно варьировать, изменяя структуру образца, но найденный принцип взаимодействия будет неизменен», – поясняет Лино.

«Эта работа красива с научной точки зрения – здесь досконально проработаны все детали, а также затронута важная инженерная задача», – комментирует проведенные исследования Кобус Куиперс (Kobus Kuipers) из Института Атомной и Молекулярной Физики в Амстердаме (AMOLF). И хотя эта система превращает плазмоны в экситоны, она может работать и в обратном направлении, если с помощью электрического тока или лазера нагнетать количество экситонов в полупроводнике. Такой механизм умножения плазмонного сигнала будет интересен при разработке плазмонного лазера, иногда также называемого SPASER.

Мария Костюкова