Only Perception: 奈米雷射 -- 未來光學電腦與科技的關鍵

2009-08-25

奈米雷射 -- 未來光學電腦與科技的關鍵

New nanolaser key to future optical computers and technologies
http://www.physorg.com/news169649724.html

By Emil Venere, August 16th, 2009

(PhysOrg.com) -- 因為這種叫做「spaser」的新裝置，是它那類當中第一種能發出可見光的，故它代表著一種未來可能技術的關鍵元件，那基於「奈米光子（nanophotonic）」電路，Vladimir Shalaev 說，Purdue 大學 Robert and Anne Burnett 電機與電腦工程教授。

這樣的電路將需要一種雷射光源，不過當前雷射無法做的更小，以便將其整合到電子晶片中。現在，研究者已克服了這種障礙，駕馭著被稱為表面電漿子（surface plasmons）的電子雲，而非構成光線的光子，來創造這些微小的「spasers」。

週日（8/16）一篇出現在 Nature 期刊網站上的論文，詳述這些發現，報告這項由 Purdue、Norfolk 州立大學以及 Cornell 大學所進行的研究。

奈米光子學（nanophotonics）也許引領了許多根本上的進展，包括強大的「超透鏡（hyperlenses）」，那導致比今日強大十倍以上的感應器與顯微鏡，能看見像 DNA 那樣小的物體；使用光而非電子訊號來處理資訊電腦與消費性電子產品；以及更有效率的太陽能集光器。

"在此，我們證明了最關鍵元件 -- 奈米雷射（nanolaser） -- 的可行性，在奈米光子學變成一種實用技術上，不可或缺，" Shalaev 說。

在這項研究中所創造的、「基於 spaser 的奈米雷射」是直徑 44 奈米的球體，那得要超過 100 萬個才能裝滿一個紅血球細胞。這些球體在 Cornell 被製造出來，而 Norfolk State 與 Purdue 則完成光學上的特徵描述，其為測定該裝置之表現是否為雷射所需。

這些發現證實了由 Tel Aviv 大學物理學家 David Bergman 以及 Georgia 州立大學 Mark Stockman 所完成的研究，他在 2003 年首度提出 spaser 這種概念。

"這項研究代表著一項重要的里程碑，那也許證明是奈米光子學中之革新的起始，在比可見光波長還要小的尺度下，擁有成像與感應的應用，" Timothy D. Sands 說，位於 Purdue Discovery Park 之 Birck 奈米技術中心的 Mary Jo and Robert L. Kirk 主任。

這些 spasers 包含一個金核，那由玻璃般的外殼所圍繞，裝滿了綠色染料。當光線照耀在這些球體上，由金核所產生的電漿子（plasmons）透過染料放大。這些電漿子接著被轉換成可見光的光子，那以雷射發射。

Spaser 代表 surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation（受激輻射發射致表面電漿子擴大）。為了如雷射那樣作用，他們需要一套「回饋系統」那導致表面電漿子前後震盪，故它們可獲得力量，且能以光的形態發射。傳統的雷射受限於「它們能被做的多小」，因為這些光子的回饋元件，稱為光學共振器（optical resonator），至少需要雷射光波長的一半大小。

不過，這些研究者並不是使用光子而是表面電漿子來克服這些障礙，那讓他們能創造出一種直徑 44 奈米的共振器，大小不到這個 spaser 所發出的、530 奈米波長的十分之一。

"很相稱的是，當我們正準備要慶祝雷射發明 50 週年時，我們在雷射技術中實現了一項突破，" Shalaev 說。

第一套可運作的雷射在 1960 年示範。

這項研究由 Norfolk State 研究者 Mikhail A. Noginov, Guohua Zhu 與 Akeisha M. Belgrave、Purdue 研究者 Reuben M. Bakker, Shalaev 與 Evgenii E. Narimanov 以及 Cornell 研究者 Samantha Stout, Erik Herz, Teeraporn Suteewong 與 Ulrich B. Wiesner 所進行。

未來研究或許涉及一種基於 spaser 之奈米雷射的開發，那使用電源而非光源，那將使得它們在電腦與電子應用中更實用。

※ 相關報導：

＊ Demonstration of a spaser-based nanolaser
http://dx.doi.org/10.1038/nature08318

M. A. Noginov, G. Zhu, A. M. Belgrave, R. Bakker,
V. M. Shalaev, E. E. Narimanov, S. Stout, E. Herz,
T. Suteewong & U. Wiesner
Nature AOP 16 August 2009
doi: 10.1038/nature08318

...It has been proposed that in the same way as a laser generates stimulated emission of coherent photons, a 'spaser' could generate stimulated emission of surface plasmons in resonating metallic nanostructures adjacent to a gain medium. But attempts to realize a spaser face the challenge of absorption loss in metal, which is particularly strong at optical frequencies... Here we show that 44-nm-diameter nanoparticles with a gold core and dye-doped silica shell allow us to completely overcome the loss of localized surface plasmons by gain and realize a spaser. And in accord with the notion that only surface plasmon resonances are capable of squeezing optical frequency oscillations into a nanoscopic cavity to enable a true nanolaser, we show that outcoupling of surface plasmon oscillations to photonic modes at a wavelength of 531 nm makes our system the smallest nanolaser reported to date—and to our knowledge the first operating at visible wavelengths...