Оптические неоднородности на поверхности золота являются причиной затухания терагерцовых поверхностных волн
Оптические неоднородности на поверхности золота являются причиной затухания терагерцовых поверхностных волн
Специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) раскрыли причину отличия расчётной длины распространения поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) на металле от измеренной. Исследование этого вопроса и поиск причин такого различия значений позволят в будущем эффективно использовать ППП для передачи и обработки данных. Результаты опубликованы в Journal of Infrared Millimeter and Terahertz Waves (Springer Nature) и Infrared Physics & Technology.
Дальнейшее качественное развитие микроэлектронной промышленности и сферы телекоммуникаций связано с изучением физиками терагерцового (ТГц) диапазона. Терагерцовые частоты, в отличие от широко используемых СВЧ, за счет большей частоты излучения потенциально способны передавать больший объём данных (порядка Тбит/с), на что сегодня нацелены разработчики систем беспроводной связи поколения 6G. Также ТГц частоты позволяют выполнять вычисления с высокой скоростью, а это в будущем может повысить производительность процессоров в сотни раз.
Использование ППП, которые представляют собой комплекс связанных колебаний поверхностной электромагнитной волны и волны зарядов на поверхности проводника, позволяет преодолеть ограничения микроэлектроники за счёт объединения её с фотоникой. Плазмонные компоненты, носителями информации в которых выступают ППП, являются основными элементами систем связи терагерцового диапазона частот. Во всем мире идет активное изучение свойств и возможностей ППП на различных материалах и структурах.
Специалисты ИЯФ СО РАН в недавнем исследовании, проведённом на Новосибирском лазере на свободных электронах (НЛСЭ), раскрыли причину отличия расчётной длины распространения ППП на металле от измеренной. Дело не столько в омических потерях ППП в приповерхностном слое металла, по которому они «бегут», как считалось ранее, сколько в рассеянии ППП на его оптических неоднородностях и шероховатостях.
«Плазмон — это фактически колебания ансамбля свободных электронов (в металле), а поляритон — это фотон, квант электромагнитного излучения. Получается, что плазмон-поляритон — это связанный комплекс из классической электромагнитной волны и волны зарядов, который не излучается поверхностью в пространство, а двигается вдоль нее. Прилегая к поверхности проводника, такая волна на очень небольшую глубину (порядка десятка нанометров) проникает в материал. Поэтому характеристики плазмон-поляритонов, а значит и энергоэффективность плазмонных схем, качество и скорость передаваемой с их помощью информации, сильно зависят от оптических свойств приповерхностного слоя материала и его покрытий, из которых делаются плазмонные интегральные схемы», — прокомментировал старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Василий Герасимов.
Внимание исследователей, занимающихся изучением терагерцовых поверхностных плазмон-поляритонов, давно привлекает парадокс отличия их расчётной (согласно классической модели проводимости Друде) длины распространения от измеренной (последняя оказалась на несколько порядков меньше первой). Исследование этого вопроса и поиск причин такого различия значений позволят в будущем эффективно использовать ППП для передачи и обработки данных.
Специалистам ИЯФ СО РАН удалось провести ряд экспериментальных исследований зависимости затухания ППП на золоте от длины волны излучения в широком диапазоне ТГц частот (0,8—6 ТГц). Физики показали, что основной причиной отличия расчётной и измеренной длины распространения ППП на металле является рассеяние ППП на оптических неоднородностях приповерхностного слоя проводника, в данном случае золота.
Исследования стали возможными благодаря Новосибирскому лазеру на свободных электронах — источнику мощного терегерцового и инфракрасного излучения, аналогов которого нет не только в России, но и в мире. По средней мощности НЛСЭ в несколько раз превышает другие существующие в мире источники, что позволяет проводить уникальные эксперименты в очень широкой области длин волн (от 8 до 403 микрометров), в том числе направленные на развитие базы для перехода на терагерцевый диапазон в области телекоммуникаций.
«Благодаря НЛСЭ мы можем генерировать плазмон-поляритоны и измерять их фазовую скорость, длину затухания, глубину проникновения в воздух на выбранном материале. Причем измерять фазовую скорость на металле мы научились с высокой точностью (порядка 0,01%), что позволяет нам очень хорошо определять оптические константы материала. И на данный момент мы провели такие эксперименты на всех длинах волн НЛСЭ, то есть во всём диапазоне ТГц частот, на которых работает лазер. Один из основных результатов нашей работы заключается в том, что мы получили экспериментально измеренные оптические константы приповерхностного слоя золотых плёнок в широком диапазоне частот. Далее, основываясь на этих данных, мы смогли оценить потери энергии на рассеяние (радиационные потери), которые испытывают плазмон-поляритоны, распространяясь по поверхности этого металла. Мы показали, что интенсивность этих потерь нелинейным образом увеличивается с ростом длины волны. В свою очередь, наличие радиационных потерь связано с поверхностным слоем материала, по которому распространяется ППП. Так как поверхность не идеальна, например, золотые пленки образуют зернистую или столбчатую структуры, полости и дефекты, ППП на них рассеиваются, значительно уменьшая длину распространения. Поэтому рассчитанная длина распространения и измеренная отличаются», — пояснил Василий Герасимов.
В проведённых исследованиях также было показано, что интенсивные радиационные потери ППП можно полностью погасить, нанося на поверхность металла слой диэлектрика толщиной в несколько сотен раз меньше длины волны, причем данная оптимальная толщина растет линейно с увеличением длины волны.
«Когда мы наносим диэлектрик на металл, мы улучшаем связь ППП с металлом, в результате чего, поверхностным волнам уже не так просто рассеяться с его поверхности. С практической точки зрения, найденный способ подавления радиационных потерь очень важен для увеличения энергоэффективности плазмонных компонент систем связи», — прокомментировал Василий Герасимов.
Специалисты НЛСЭ заканчивают следующий этап работы — исследования влияния материала и шероховатости подложки, а также технологии напыления на их поверхность металлических плёнок на характеристики ППП. Это поможет, во-первых, получить металлические плёнки с более близким к оптимальным характеристиками для ППП, а во-вторых, разработать более полную теоретическую модель для описания проводимости сложной структуры поверхности металла.
«Полученная информация и разработка теоретических моделей очень важны, так как, не учитывая радиационные потери и специфику поверхности металла, можно будет сильно ошибиться в расчётах при проектировании плазмонных интегральных схем», — добавил Василий Герасимов.
Источник: ИЯФ СО РАН.