نانو المجهر لعمليات فائق السرعة

التكنولوجيا الجديدة يمكن أن تكشف عن عمليات في البلازمون

مبدأ المجهر النانوي عالي السرعة © MPI for Optum Optics
قراءة بصوت عال

قدم فريق دولي من العلماء مفهومًا لرواية "المجهر الفائق" للهيئات النانوية. كما ورد في "Nature Photonics" ، فإنه يسمح لأول مرة بالملاحظة المباشرة وغير الغازية لأقصر العمليات الأتوقية ، مع دقة مكانية وزمنية عالية.

دون معرفة ذلك ، استخدم مصنعو الأواني الزجاجية الملونة في روما القديمة ونوافذ الكنيسة في العصور الوسطى الخصائص الخاصة للجسيمات النانوية المعدنية. عن طريق إضافة غبار ذهبي إلى الزجاج المنصهر ، أعطوا النظارات لونًا أحمر لامع. اليوم ، يعرف الخبراء العمليات التي يعود إليها هذا التأثير. تتكون الجسيمات النانوية من بضعة آلاف فقط من الذرات. عندما يسقط الضوء المرئي على مثل هذه الجسيمات ، تتعرض إلكترونات التوصيل ، التي يمكن تحريكها بحرية في المعدن ، إلى حقل الضوء الكهربائي ويتم تهجيرها. نظرًا لأن الهيكل صغير جدًا ، إلا أنه لا يبتعد كثيرًا ، ولكن المربى من جهة ، من الجانب الآخر. وهذا يؤدي إلى تذبذبات متزامنة متزامنة للإلكترون الجماعي بأكمله.

ديناميات البلازما لا تزال غير معروفة

هذه الاهتزازات لها خصائص جسيمية معينة ، وبالتالي تسمى أيضًا بلازمونات السطح. يعتمد اللون المحمر في الأوعية الرومانية القديمة والنوافذ الزجاجية القديمة على حقيقة أن جزءًا من الطيف المرئي يتم "ابتلاعه" بواسطة الجسيمات النانوية الذهبية ويتحول إلى بلازمون ، بحيث يضيء الضوء المتبقي الشفاف بألوان تكميلية.

"تولد البلازمونات حقولًا كهرومغناطيسية عالية جدًا في الموقع وفي الجوار المباشر للجسيمات النانوية. لكن كيف تتفكك حقول البلازومون هذه مرة أخرى؟ "إن أسرع هذه الحركات الجماعية تحدث في بضع مئات من الأتونات - 1 الأتوثانية واحد من المليار من المليار من الثانية - مما يجعلها واحدة من أقصر العمليات التي يمكن ملاحظتها بطبيعتها" ، يوضح ماتياس كلينج ، قائد مجموعة الأبحاث المبتدئين في معهد ماكس بلانك للبصريات الكم.

نبض الليزر يستفسر الاهتزازات

لقد طور عالم الفيزياء النظرية البروفيسور مارك ستوكمان من جامعة جورجيا الحكومية ، طريقة جديدة لحل مؤقت ورسم خرائط مكانية لديناميكيات هذه الحقول plasmonic ، جنبا إلى جنب مع علماء الفيزياء التجريبية من جامعة ميونيخ ومعهد ماكس بلانك للبصريات الكمومية في Garching. في نموذجهم ، قام العلماء أولاً بمحاكاة ترتيب للجسيمات النانوية الفضية على سطح يتم قصفه ببقول قصيرة للغاية لا تدوم سوى عدد قليل من الفمتوثانية (فيمتوثانية واحدة تبلغ مليون من المليار من الثانية). عرض

تحت تأثير النبض الخفيف لفترات قليلة فقط من التذبذب ، تتشكل حقول البلازما التي تعتمد اتساعها وتردداتها الطبيعية ، التي تقع بين الأشعة تحت الحمراء القريبة والأشعة فوق البنفسجية القريبة ، على حجم الجسيم النانوي المعني وشكله وبيئته. يتم الآن "استجواب" ديناميات البلازمونات بواسطة تزامن مع الإثارة ، حوالي 170 نبضة ليزرية من أتوسوكوند ترددها في الأشعة فوق البنفسجية القصوى ، وتعمل على البنية النانوية الذكية وتطلق الإلكترونات هناك. تعكس الطاقة والتوزيع المكاني لهذه الإلكترونات الضوئية ما يسمى خصائص البلازمونات ، حيث تم تسريعها سابقًا في مجالها.

يوضح البروفيسور أولف: "في المفهوم المقدم هنا ، نجمع بين طريقتين ، كل واحدة منها حديثة بالفعل:" الفحص المجهري للانبعاثات الضوئية "، أو PEEM من أجل التحليل الطيفي للقطاعات القصيرة والأطيانوثانية". كلاينبرج من جامعة ميونيخ. "نحصل على قرار مكاني حسب حجم الجسيمات النانوية ، أي حوالي 10 إلى مائة نانومتر ، وفي الوقت نفسه ، بسبب المدة القصيرة للغاية لمضات الأوتو ثانية. قرار مؤقت من حوالي مائة attoseconds. تضع طريقة القياس هذه الأساس لقياس بنية هذه الحقول وتطورها الزمني في المستقبل وللتحكم فيها بنبضات ضوئية مصممة حسب الطلب. "

تطبيق لهندسة الطاقة وتكنولوجيا النانو

بشكل عام ، للمرة الأولى ، سيمكّن هذا المجهر الفائق النانو من الملاحظة المباشرة لعمليات فائق السرعة في النظم النانوية ، مثل تحويل ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية. ومع ذلك ، يرى المؤلفون التطبيقات المستقبلية لهذه التقنية في المقام الأول في تطوير أجهزة جديدة تؤدي فيها حقول البلازما النانوية المحلية مهام الإلكترونات في الإلكترونيات التقليدية ، أي نقل المعلومات ومعالجتها وتخزينها ،

"تكمن الميزة في حقيقة أن البلازمونات في هذه النظم النانوية تسمح بمعالجة المعلومات ونقلها بترددات أعلى بكثير (حوالي 100000 مرة) من الإلكترونات الموجودة في المواد الصلبة. وبهذه الطريقة ، يمكن تحقيق أنظمة بصرية وبصرية سريعة للغاية لمعالجة المعلومات في المستقبل. "

(MPI of Optum Optics ، 04.09.2007 - NPO)