Des scientifiques de l'EPFL ont découvert comment contrôler la transmission du signal optique, ouvrant la voie à l'intégration de la plasmonique avec les circuits électroniques conventionnels.
Lorsque la lumière frappe un métal dans certaines circonstances, il génère une onde de densité des électrons à sa surface, comme jeter une pierre dans l'eau. Cette onde s'appelle un plasmon, et il est petit et rapide, se produisant aux fréquences optiques. Plasmonique, l'étude des plasmons, a suscité un vif intérêt dans le monde entier car il pourrait offrir un moyen de relier les circuits électroniques et optiques dans des technologies telles que les ordinateurs, créer des processeurs ultrarapides. Cependant, l'intégration de la plasmonique avec des circuits électroniques réguliers nécessite la capacité de contrôler les plasmons. Dans un passionnant Lettres nano publication, Des scientifiques de l'EPFL collaborant avec le Max Plank Institute ont découvert comment les plasmons peuvent être contrôlés en termes d'énergie et d'espace.
Les fibres optiques ont déjà changé notre façon de communiquer en utilisant la lumière pour transmettre des données numériques et des bandes passantes élevées et sur de longues distances, mais nécessitent des "fils" relativement volumineux qui sont essentiellement des tubes à quatre couches avec des intérieurs réfléchissants. D'autre part, les fils électriques sont plus fins et plus faciles à fabriquer, mais transmettre des données à un débit beaucoup plus faible. Les plasmoniques ont le potentiel de relier l'optique à l'électronique et de combiner leurs avantages sans leurs inconvénients.
L'idée est simple :utiliser la lumière pour coder et transmettre des données à des fréquences optiques à travers la surface d'un fil électrique conventionnel. Souvent appelée "lumière sur un fil", la plasmonique est devenue un domaine en croissance rapide qui promet de nombreuses nouvelles technologies passionnantes. Il s'agit notamment de biocapteurs extrêmement sensibles, des télécommunications considérablement améliorées et une nouvelle génération de processeurs informatiques pouvant fonctionner à des vitesses ultrarapides. Étant donné que les plasmons sont des vagues d'électrons de surface excités plutôt que le mouvement de particules réelles, la transmission plasmonique peut être de plusieurs ordres de grandeur plus rapide que la transmission électronique.
Les scientifiques du Centre Max-Planck-EPFL de nanosciences et technologies moléculaires nous ont maintenant rapprochés d'une ère de la plasmonique en montrant que les orbitales moléculaires de la surface d'un métal agissent comme de minuscules portes qui peuvent contrôler les plasmons énergétiquement et spatialement. Le plus grand obstacle à l'intégration de la plasmonique dans les circuits électroniques conventionnels est que les dispositifs prototypes doivent être nanoconstruits. Cela signifie qu'ils nécessitent des interfaces contrôlables entre la nanoélectronique et la nano-optique. Les chercheurs ont découvert que la solution réside dans les orbitales moléculaires individuelles :des fonctions mathématiques qui décrivent les nuages d'électrons qui se forment lorsque des atomes se réunissent dans une molécule.
Dirigé par Klaus Kern, l'équipe a utilisé un microscope à effet tunnel (STM) pour examiner les complexes d'iridium refroidis à une température de zéro absolu (5 degrés Kelvin). La microscopie STM exploite l'effet tunnel des électrons d'une surface métallique vers une pointe métallique très pointue qui peut être balayée sur la surface du métal. En route vers la pointe, certains des électrons perdent de l'énergie. Cette énergie excite des oscillations (plasmons) à la surface du métal et à la pointe et peut ensuite être observée par l'émission de lumière dans un détecteur optique.
Les données de l'équipe ont montré que l'excitation des plasmons peut être activement contrôlée par une seule molécule. L'étude d'un complexe d'iridium, ils ont découvert que ses orbitales moléculaires - effectivement les niveaux d'énergie particuliers - agissent comme de minuscules portes qui déterminent la génération de plasmons à la fois énergétiquement et spatialement, même jusqu'à des zones plus petites que la molécule elle-même. En réalité, dans les molécules dont la structure électronique est connue, l'énergie et l'emplacement des oscillations générées peuvent être prédits, ce qui signifie qu'il est désormais possible de contrôler réellement la génération de plasmons au niveau d'une seule molécule.
Les scientifiques pensent que ce phénomène n'est pas limité au seul complexe de l'iridium, mais devrait également s'appliquer à d'autres molécules organiques. La découverte aura un impact significatif sur la conception des futurs dispositifs à base de plasmons, car il ouvre la voie au contrôle de l'excitation électrique des nanostructures plasmoniques jusqu'à, et même en dessous, le niveau d'une molécule individuelle, et peut permettre l'intégration directe de nanostructures plasmoniques dans des circuits électroniques conventionnels.
