СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПЛАЗМОННЫХ ИМПУЛЬСОВ ПРИ КОЛЛЕКТИВНОМ РАСПАДЕ ВОЗБУЖДЕНИЙ В АНСАМБЛЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК Российский патент 2018 года по МПК G02F1/00 

Изобретение относится к области управления формированием плазмон-поляритонных импульсов на плоской границе раздела двух сред с различными диэлектрическими проницаемостями и может быть использовано для создания прототипа задающего плазмонного генератора тактовых импульсов с характерными размерами меньше длины волны возбуждаемых плазмон-поляритонов.

Известен способ создания плазмонного волновода для конвертации и пропускания светового сигнала [«Plasmonic waveguide, capable of passing a light signal by using surface plasmon polariton», патент Кореи KR 1020090093798, Byoung Ho Lee, Jung Hyun Park, Hwi Kim, дата приоритета 29.02.2008]. Способ основан на создании волноводного канала на основе брэгговских решеток с различным показателем преломления и совмещенных таким образом, чтобы обеспечить селективное пропускание строго определенной длины волны излучения вдоль волновода. Локализации энергии электромагнитной волны в направлении, перпендикулярном направлению распространения, обеспечивается за счет системы антирезонансных брэгговских решеток, препятствующих выходу сигнала за пределы волноводного канала.

Также известен способ фокусировки уже сформированных плазмон-поляритонных волн [«Surface plasmon polariton waveguide focusing device in an MIM structure with an upper metal layer and a lower metal layer including different lengths», патент Кореи KR 1020110045201, Myung Hyun Lee, Hae Ryung Park, дата приоритета 26.10.2009]. В основе способа лежит передача плазмонных возбуждений, проявляющихся в виде электромагнитного поля колебаний электронной плотности, - с одной металлической пластины сужающейся геометрии на другую, которая обладает существенно меньшими геометрическими размерами. Рассматриваемые пластины отделены друг от друга слоем диэлектрика.

Недостатками данных способов является то, что для формирования плазмон-поляритонов требуются устройства с размерами больше или порядка длины волны света, а сам процесс превращения свободно распространяющейся электромагнитной волны (света) в локализованную поверхностную волну сопряжен со значительным уровнем потерь.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ генерации плазмон-поляритонов при наличии дополнительной усиливающей среды [«Method and apparatus for enhancing plasmon-polariton and phonon polariton resonance», Патент США WO 2005111584, Solaris Nanosciences, Inc., 321 South Main Street, Providence, RI 02903 (USA)]. Способ основан на использовании дополнительной активной среды, резонансная частота которой соответствует плазмонной частоте в метал-диэлектрик интерфейсе. В качестве накачки для активной среды может служить как лазерное, так и электронное возбуждение, которое посредством активной среды обеспечивает усиление плазмон-поляритонных мод.

Ограничения данного метода связаны с необходимостью совмещения сразу нескольких устройств - генератора плазмон-поляритонного сигнала, а также его усилителя, при этом их характерные размеры остаются больше длины волны излучения.

Задача, решаемая изобретением, - обеспечение максимальной эффективности при конвертации энергии внешнего источника накачки в плазмонные моды на масштабах сугубо меньше длины волны формируемых плазмон-поляритонных мод.

Предлагаемая задача решается тем, что в способе формирования плазмонных импульсов при коллективном распаде возбуждений в ансамбле полупроводниковых квантовых точек, включающем процесс безизлучательной передачи энергии возбужденных полупроводниковых квантовых точек к возникающим на границе раздела металл-диэлектрик плазмон-поляритонам, отличающимся использованием наводимых полем плазмон-поляритонов кантовых корреляций между отдельными квантовыми точками возникает возможность осуществить коллективный процесс их распада и приводит к формированию коротких импульсов, вид которых может быть получен из решения нелинейного уравнения маятника вида

с дополнительным слагаемым при , ответственным за учет диссипативных процессов в диэлектрической среде-носителе с квантовыми точками и где θ определяет угол для вектора на сфере Блоха, координаты которого Z=cos(θ) и R=sin(θ) связаны с разностью населенности n₂₁ и поляризацией ρ₁₂ в ансамбле квантовых точек соотношениями и Z=n₂₁, а К₀=ω_SPt-k_SPz определяется через значения циклической частоты ω_SP и волнового числа k_SP поля плазмонов, распространяющихся во времени t и пространстве z вдоль плоской границы металл-диэлектрик; параметр выражается через количество квантовых точек N_a в области взаимодействия и константу связи g, тогда как коэффициент u₁ ответственен за диссипативные процессы, связанные с учетом локального поля диэлектрика.

Технически формирование коротких плазмонных импульсов возможно в процессе коллективного распада в ансамбле возбужденных квантовых точек, расположенных в слое диэлектрика вблизи металлической пластины (Фиг. 1), размер которых выбирается из условия равенства частоты перехода в квантовых точках и плазмонной частоты металлической пластины, а концентрация - исходя из условия компенсации потерь на рассматриваемых временных и пространственных масштабах. Динамика процесса формирования плазмонных импульсов (Фиг. 2) описывается системой самосогласованных уравнений

где определяет характерное время установления квантовых корреляций между квантовыми точками и выражается через параметр Бергмана для границы раздела металл/диэлектрик с диэлектрической проницаемостью ε_d диэлектрика и металла и с учетом столкновительной частоты γ_p, а также плазмонной частоты , где - плазменная частота в металле с массой электронов m₀, зарядом е при их концентрации n_m; ε₀ является электрической постоянной, постоянной Планка, - константа связи в объеме V, выражающаяся через частоту Раби Ω₀ и , где N_p - количество плазмонов в области взаимодействия. Параметр Г_ε в (2а) и (2б) представляет собой суммарную скорость радиационных и нерадиационных потерь для квантовых точек, тогда как параметр определяет добавку к частоте Раби, появляющуюся вследствие перехода от максвелловского к локальному полю, действующему на квантовые точки. Дисперсионная u_R и диссипативная поправки u₁ имеют физический смысл дополнительных частотной модуляции и эффектов поглощения и возникают за счет учета локального отклика в диэлектрике с комплексным показателем преломления n=n_R+in₁, имеющим действительную n_R и мнимую n₁ части, при определенном выборе которых скорость радиационного затухания квантовых точек может быть скомпенсирована, то есть Г_ε=0.

Краткое описание чертежей.

Фиг. 1.1 - Схема формирования плазмонных импульсов в слоистом (планарном) волноводе металл/диэлектрик с накачкой CdS КТ: 2 - антирезонансные брэгговские волноводы (ARROW); 3 - дифракционная решетка; 4 - квантовые точки CdS с дипольным моментом ; 5 - диэлектрик (пленка); 6 - металл (Au); 7 - объем взаимодействия в диэлектрике V; 8 - накачивающий объем в металле V’; 9 - оптический импульс накачки ; 10 - триггерный плазмонный импульс ε_ex, 11 - формируемый в результате распада экситонов КТ плазмонный импульс ε; 12 - ось Ох; 13 - ось Оу; 14 - ось Oz; 15 - зависимость энергии межзонного перехода 1S_e-1S_h в эВ (ось ординат) от размера D_QD в нм (ось абсцисс) CdS КТ (E_g=2.42 эВ при 0 К для сплошной среды).

Фиг. 2. Профили интенсивности плазмонных импульсов I_p в МВт/см² (ось ординат) от времени t в пс (ось абсцисс), полученные при численном моделировании системы (2) при выборе концентрации N=2.83⋅10²² м^-3 квантовых точек CdS с размером D_QD=1.56 нм и начальной стохастической поляризацией вблизи золотой поверхности для случаев нескомпенсированной Г_ε=6.3⋅10¹¹ с^-1 (штриховая линия) и скомпенсированной Г_ε=0 с^-1 при n_R=1.6 n₁=1.23 (сплошная линия) скорости затухания в КТ. Параметры взаимодействия: u₁=-0.1582, γ_R=4.1⋅10¹³ с^-1, g=1.14⋅10¹² с^-1, ξ₀=2.5⋅10¹⁰ с^-1.

Пример реализации способа.

В качестве модельной среды использовали интерфейс в виде волновода металл/диэлектрик с размещенными внутри тонкого диэлектрического слоя двухуровневыми хромофорами в виде полупроводниковых квантовых точек CdS на Фиг. 1 со средним диаметром D_QD=1.56 нм, длина волны межуровневого перехода для которых резонансна плазмонной длине волны λ_SP=192 нм золота (ω_p=1.37⋅10¹⁶ с^-1), а соответствующий дипольный момент межзонного перехода составляет μ=μ₁₂=5⋅10^-29 Кл⋅м. При концентрации квантовых точек N=2.83⋅10²² м^-3 их количество в области взаимодействия с объемом оказывается равным N_a=200, а величина длительности формируемого плазмонного импульса составит 450 фс с учетом скорости затухания Г_ε=6.3⋅10¹¹ с^-1 или 250 фс при ее компенсации Г_ε=0 с^-1 путем выбора диэлектрика с n_R=1.6, n₁=1.23 (K=-0.0147) (на Фиг. 2); столкновительная частота золота γ_p=4.1⋅10¹³ с^-1, величины константы связи g=1.14⋅10¹² с^-1, параметр Бергмана , его производная при ε_d=2.56.

Изобретение относится к способу формирования плазмонных импульсов при коллективном распаде возбуждений в ансамбле полупроводниковых квантовых точек. Может быть использовано при разработке прототипа задающего плазмонного генератора тактовых импульсов с характерными размерами меньше длины волны возбуждаемых плазмон-поляритонов с последующим применением в плазмонных схемах обработки информации, в том числе, - при проектировании высокоскоростных терагерцовых плазмонных шин данных. Техническим результатом данного изобретения является получение эффективного способа генерации коротких плазмонных импульсов без использования оптической схемы возбуждения. Сущность изобретения заключается в том, что исходя из условия равенства частоты перехода в квантовых точках и плазмонной частоты металлической пластины подбираются материал и размер полупроводниковых квантовых точек, а их концентрация выбирается исходя из условия компенсации потерь на рассматриваемых временных и пространственных масштабах. 2 ил.

Способ формирования плазмонных импульсов при коллективном распаде возбуждений в ансамбле полупроводниковых квантовых точек, включающий процесс безизлучательной передачи энергии возбужденных полупроводниковых квантовых точек к возникающим на границе раздела металл-диэлектрик плазмон-поляритонам, отличающийся использованием наводимых полем плазмон-поляритонов квантовых корреляций между отдельными квантовыми точками позволяет осуществить коллективный процесс их распада и приводит к формированию коротких импульсов, вид которых может быть получен из решения нелинейного уравнения маятника вида

с дополнительным слагаемым при ответственным за учет диссипативных процессов в диэлектрической среде-носителе с квантовыми точками, и где θ определяет угол для вектора на сфере Блоха, координаты которого Z=cos(θ) и R=sin(θ) связаны с разностью населенности n₂₁ и поляризацией ρ₁₂ в ансамбле квантовых точек соотношениями и Z=n₂₁, а K₀=ω_SPt-k_SPz определяется через значения циклической частоты ω_SP и волнового числа k_SP поля плазмонов, распространяющихся во времени t и пространстве z вдоль плоской границы металл-диэлектрик; параметр выражается через количество квантовых точек N_a в области взаимодействия и константу связи g, тогда как коэффициент u_I ответственен за диссипативные процессы, связанные с учетом локального поля диэлектрика.