Les dispositifs plasmoniques combinent la « super vitesse » de l'optique avec la « super petite » de la microélectronique. Ces dispositifs présentent des effets quantiques et sont prometteurs en tant qu'éléments de circuit ultrarapides possibles, mais le traitement actuel des matériaux limite ce potentiel. Maintenant, une équipe de chercheurs basés à Singapour a utilisé un nouveau processus physique, connu sous le nom de tunnel plasmonique quantique, démontrer la possibilité de dispositifs plasmoniques quantiques pratiques.

Le tunneling est un aspect intrigant de la mécanique quantique par lequel une particule est capable de traverser une barrière classiquement infranchissable. Théoriquement, l'effet tunnel plasmonique quantique n'est perceptible que lorsque les composants plasmoniques sont très rapprochés, à moins d'un demi-nanomètre ou moins. Cependant, des chercheurs de l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux A*STAR, l'A*STAR Institute of High Performance Computing et l'Université nationale de Singapour ont pu observer des effets quantiques entre des matériaux espacés de plus d'un nanomètre.

Ils ont étudié l'effet tunnel des électrons à travers un espace entre deux cubes d'argent à l'échelle nanométrique recouverts d'une monocouche de molécules. La microscopie électronique à transmission à haute résolution a montré que ces nanocubes s'auto-assemblaient en paires. La séparation, et donc la distance de tunnel, entre les nanoparticules pourrait être contrôlé par le choix de la molécule de surface, entre 0,5 et 1,3 nanomètres dans les cas testés.

La monocouche de molécules avait une autre fonction :fournir un contrôle électronique moléculaire sur la fréquence du courant tunnel oscillant, qui pouvait être réglé entre 140 et 245 terahertz (1 terahertz =1012 hertz), comme l'a montré la spectroscopie de perte d'énergie des électrons monochromatiques.

Prédictions théoriques, étayé par des résultats expérimentaux, ont confirmé la nature des courants tunnels assistés par plasmon entre les cubes d'argent. "Nous montrons qu'il est possible d'éclairer un petit système de deux cubes d'argent rapprochés (voir image) et de générer un courant tunnel qui oscille très rapidement entre ces électrodes d'argent, " explique Michel Bosman, chercheur chez A*STAR. " L'oscillation est de plusieurs ordres de grandeur plus rapide que les vitesses d'horloge typiques des microprocesseurs, qui fonctionnent actuellement en régime gigahertz (=109 hertz). les résultats démontrent également la possibilité d'une électronique moléculaire térahertz.

Deux facteurs ont contribué au succès des expériences. D'abord, les nanocubes avaient des surfaces atomiquement plates, maximiser la surface tunnel entre les deux nanoparticules. Seconde, l'espace rempli de molécules a augmenté le taux de tunnellisation, permettant de mesurer l'effet tunnel quantique assisté par plasmon.

"Nous allons maintenant utiliser différentes molécules dans le tunnel gap pour savoir jusqu'où les courants tunnel peuvent être transportés, et dans quelle plage nous pouvons régler la fréquence d'oscillation, " dit Bosman.