بلازمونيات

الدافع والتحديات الحالية

وفي هذا السياق، من بين العوائق المتوقعة الأخرى التي ستواجهها الدوائر البلازمونية الحرارة؛ إذ قد تتجاوز الحرارة في هذه الدوائر الحرارة المتولدة في الدوائر الإلكترونية المعقدة، أو قد لا تتجاوزها. وقد اقتُرح مؤخرًا تقليل التسخين في الشبكات البلازمونية من خلال تصميمها لدعم الدوامات الضوئية المحصورة، التي تُدير تدفق الطاقة الضوئية عبر الفجوات بين الجسيمات، مما يقلل الامتصاص والتسخين الأومي. إضافةً إلى الحرارة، يصعب كذلك تغيير اتجاه الإشارة البلازمونية في الدائرة دون تقليل سعتها وطول انتشارها بشكل ملحوظ. ومن الحلول الذكية لمشكلة تغيير اتجاه الانتشار استخدام مرايا براغ لتوجيه الإشارة في اتجاه معين، أو حتى استخدامها كمقسمات للإشارة. وأخيرًا، تستفيد التطبيقات الناشئة للبلازمونيات من التلاعب بالانبعاث الحراري والتسجيل المغناطيسي بمساعدة الحرارة وذلك بالاعتماد على الخسائر الأومية في المعادن للحصول على أجهزة ذات وظائف محسّنة جديدة.

علاوةً على ذلك، تُبذل جهود في الوقت الحالي لدمج تقنية البلازمونيات مع الدوائر الكهربائية، أو ما يُشابهها في الدوائر الكهربائية، لدمج كفاءة حجم الإلكترونيات مع سعة البيانات للدوائر الضوئية المتكاملة (PIC). في حين أن أطوال بوابات عقد سيموس (CMOS) المستعملة في الدوائر الكهربائية تتناقص باستمرار، فإن حجم الدوائر الضوئية المتكاملة التقليدية محدود بسبب حيود الضوء، مما يشكل عائقًا أمام المزيد من التكامل. يمكن لتقنية البلازمونيات أن تسد هذا التباين في الحجم بين المكونات الإلكترونية والضوئية. في الوقت نفسه، يمكن أن تُكمل تقنيتا الفوتونيات والبلازمونيات بعضهما البعض، حيث يمكن، في ظل الظروف المناسبة، تحويل الإشارات الضوئية إلى موجات بلازمونية سطحية (SPPs) والعكس صحيح.

ومن ناحية أخرى، تُعدّ قصر مسافة انتشار بلازمونات السطح من أبرز التحديات التي تواجه تطبيق الدوائر البلازمونية على أرض الواقع. ففي العادة، لا تتجاوز مسافة انتشار بلازمونات السطح بضعة ملليمترات قبل أن يبدأ التخميد في إضعاف الإشارة. ويعود ذلك في أغلبه إلى الفقد الأومي، الذي يزداد أهميةً كلما توغل المجال الكهربائي في المعدن. ويسعى الباحثون إلى تقليل الفقد في انتشار بلازمونات السطح من خلال دراسة مجموعة متنوعة من المواد والأشكال الهندسية والترددات وخصائصها. وتشمل المواد البلازمونية الجديدة الواعدة ذات الفقد المنخفض أكاسيد المعادن ونتريداتها إلى جانب الجرافين. ويكمن مفتاح مزيد من حرية التصميم في تحسين تقنيات التصنيع التي تُسهم بدورها في تقليل الفقد عن طريق تقليل خشونة السطح.

اقتران

ومن جهة أخرى، بدلًا من ذلك، يمكن إخراج الإشارة إلى نمط انتشار الألياف البصرية أو الدليل الموجي.[ مطلوب مصدر ]

في هذا الإطار، تستقبل منافذ الإدخال والإخراج في الدائرة البلازمونية الإشارات الضوئية وترسلها على التوالي. ولتحقيق ذلك، يلزم اقتران الإشارة الضوئية بالبلازمون السطحي وفصلها عنه. تقع علاقة التشتت للبلازمون السطحي أسفل علاقة التشتت للضوء تمامًا، مما يعني أنه لحدوث الاقتران، يجب توفير زخم إضافي من قِبل مُقترن الإدخال لتحقيق حفظ الزخم بين الضوء الساقط وموجات البولاريتون للبلازمون السطحي المُنطلقة في الدائرة البلازمونية. توجد عدة حلول لهذه المشكلة، منها استخدام موشورات عازلة، أو محززات، أو عناصر تشتيت موضعية على سطح المعدن للمساعدة في تحفيز الاقتران عن طريق مطابقة زخم الضوء الساقط والبلازمونات السطحية. بعد إنشاء البلازمون السطحي وإرساله إلى وجهته، يمكن تحويله إلى إشارة كهربائية. ويمكن تحقيق ذلك باستخدام كاشف ضوئي في مستوى المعدن، أو فصل البلازمون السطحي إلى ضوء ينتشر بحرية، والذي يمكن تحويله بدوره إلى إشارة كهربائية.

المبادئ

من جهة ثانية، تعتمد تقنية البلازمونيات عادةً على موجات البلازمون السطحية (SPPs)، وهي عبارة عن تذبذبات إلكترونية متماسكة تنتقل مع الموجة الكهرومغناطيسية على طول السطح الفاصل بين مادة عازلة (مثل الزجاج أو الهواء) ومعدن (مثل الفضة أو الذهب). تنحصر أنماط موجات البلازمون السطحية بشدة في السطح الفاصل الداعم لها، مما يؤدي إلى تفاعلات قوية بين الضوء والمادة. وعلى وجه الخصوص، يتذبذب غاز الإلكترونات في المعدن مع الموجة الكهرومغناطيسية. ونظرًا لتشتت الإلكترونات المتحركة، تكون الخسائر الأومية في إشارات البلازمون كبيرة عمومًا، مما يحد من مسافات نقل الإشارة إلى نطاق أقل من سنتيمتر، ما لم تُستعمل شبكات توجيه ضوئي هجينة بصرية بلازمونية أو تضخيم كسب البلازمون. وإلى جانب موجات البلازمون السطحية، تُعرف أنماط البلازمون السطحية الموضعية التي تدعمها الجسيمات النانوية المعدنية بأنماط البلازمونيات. يتميز كلا النمطين بقيم زخم كبيرة، مما يتيح تعزيزًا رنينيًا قويًا للكثافة المحلية لحالات الفوتون، ويمكن استخدامهما لتعزيز التأثيرات البصرية الضعيفة للأجهزة الكهروضوئية.

الأجهزة السلبية

وفي هذا الصدد، إن زيادة الفقد والتماسك فيما يتعلق باستخدام الأجهزة السلبية، وكذلك الأجهزة النشطة، يخلق المزيد من الإمكانيات لاستخدام الدوائر البلازمونية.[ مطلوب مصدر ]

وعلى صعيد آخر، على الرغم من أن المكونات النشطة تلعب دورًا هامًا في استخدام الدوائر البلازمونية، فإن الدوائر السلبية لا تقل أهمية عنها، ومن المثير للدهشة أنها ليست سهلة التصنيع. يمكن دمج الكثير من العناصر السلبية، مثل الموشورات والعدسات ومقسمات الحزم، في الدوائر البلازمونية، إلا أن تصنيعها على المستوى النانوي أثبت صعوبته وآثاره السلبية. قد تحدث خسائر كبيرة نتيجةً لانفصال العناصر عند استخدام عنصر انكساري ذي معامل انكسار مختلف. مع ذلك، اتُخذت بعض الخطوات لتقليل الخسائر وزيادة صغر حجم المكونات الضوئية. تعتمد إحدى هذه الخطوات على استخدام عاكسات براغ، أو المرايا المكونة من سلسلة من المستويات لتوجيه حزمة البلازمون السطحي. عند تحسينها، يمكن لعاكسات براغ أن تعكس ما يقارب 100% من الطاقة الواردة. تعتمد طريقة أخرى لإنشاء مكونات ضوئية صغيرة الحجم على الموجهات الضوئية ذات الحزم المتوازية، نظرًا لقدرتها على الحصر القوي مع خسائر مقبولة تقل عن 3. ديسيبل ضمن أطوال موجات الاتصالات.

• انظر كذلك
• تقنية النانو الضوئية
• المواد الفائقة
• بلازمون سطحي زائف

الأجهزة النشطة

كذلك، أدى التقدم المحرز في مجال بلازمونات السطح خلال الخمسين عامًا الماضية إلى تطوير أنواع مختلفة من الأجهزة، النشطة وغير النشطة. ومن أبرز مجالات الأجهزة النشطة: الأجهزة البصرية، والأجهزة الحرارية البصرية، والأجهزة الكهروضوئية. وقد أظهرت الأجهزة البصرية بالكامل قدرتها على أن تصبح مصدرًا فعالًا لمعالجة المعلومات والاتصالات وتخزين البيانات عند استخدامها كمعدِّل. في إحدى الحالات، جرى إثبات تفاعل شعاعين ضوئيين بأطوال موجية مختلفة عن طريق تحويلهما إلى بلازمونات سطحية متزامنة الانتشار باستخدام نقاط كمومية من سيلينيد الكادميوم. كما جمعت الأجهزة الكهروضوئية بين خصائص الأجهزة البصرية والكهربائية في شكل معدِّل كذلك. وعلى وجه التحديد، صُممت المعدِّلات الكهروضوئية باستخدام محززات معدنية رنانة متصلة بشكل متلاشٍ وأسلاك نانوية تعتمد على بلازمونات السطح طويلة المدى. وبالمثل، استُخدمت الأجهزة الحرارية الضوئية، التي تحتوي على مادة عازلة يتغير معامل انكسارها بتغير درجة الحرارة، كمعدِّلات تداخلية لإشارات البلازمونات السطحية، فضلًا عن مفاتيح اقتران اتجاهية. وقد أظهرت بعض الأجهزة الحرارية الضوئية استخدامها لتوجيه موجات البلازمونات السطحية طويلة المدى على طول شرائط ذهبية مغمورة في بوليمر ومُسخَّنة بإشارات كهربائية كوسيلة للتعديل ومفاتيح اقتران اتجاهية. ويكمن مجال واعد آخر في استخدام الليزرات في مجالات مثل الطباعة الحجرية النانوية، والتحليل ،والمجهر.

توجيه الموجات

ومن ناحية أخرى، تسعى التصاميم المثلى للموجهات البلازمونية إلى تحقيق أقصى قدر من الحصر وطول الانتشار للبلازمونات السطحية داخل الدائرة البلازمونية. تتميز بولاريتونات البلازمون السطحي بمتجه موجي مركبة، له مركبتان: موازية وعمودية على سطح التماس بين المعدن والعازل. يتناسب الجزء التخيلي من مركبة المتجه الموجي عكسيًا مع طول انتشار بولاريتون البلازمون السطحي بينما يحدد الجزء الحقيقي منه حصر هذه الموجات. تعتمد خصائص تشتت بولاريتون البلازمون السطحي على ثوابت العزل الكهربائي للمواد المكونة للموجه. يرتبط طول الانتشار وحصر موجة بولاريتون البلازمون السطحي عكسيًا. لذلك، يؤدي الحصر الأقوى للنمط عادةً إلى أطوال انتشار أقصر. يعتمد بناء دائرة بلازمون سطحية عملية وقابلة للاستخدام إلى حدّ كبير على إيجاد حل وسط بين الانتشار والحصر. يساعد تحقيق أقصى قدر من الحصر وطول الانتشار على التخفيف من عيوب اختيار طول الانتشار على حساب الحصر، والعكس صحيح. ابتُكرت أنواع متعددة من الموجهات الموجية سعيًا وراء دارة بلازمونية ذات حصر قوي وطول انتشار كافٍ. وتشمل بعض الأنواع الأكثر شيوعًا: عازل-معدن-عازل (IMI)، معدن-عازل-معدن (MIM)، بلازمون قطبي سطحي محمل بمادة عازلة (DLSPP)، بلازمون قطبي فجوة (GPP)، بلازمون قطبي قناة (CPP)، بلازمون قطبي سطحي إسفيني (إسفين)، والموجهات والشبكات الضوئية البلازمونية الهجينة. يمكن التخفيف من خسائر التبديد المصاحبة لانتشار البلازمون القطبي السطحي في المعادن عن طريق تضخيم الكسب أو عن طريق دمجها في شبكات هجينة مع عناصر ضوئية مثل الألياف والموجهات الموجية ذات الرنانات المقترنة. يمكن أن يؤدي هذا التصميم إلى الموجه البلازمونية الهجينة المذكورة سابقًا، والتي تُظهر نمطًا دون الطول الموجي على نطاق عُشر حد حيود الضوء، إلى جانب طول انتشار مقبول.