प्लास्मोनिक्स: Difference between revisions

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दृश्यमान स्पेक्ट्रम में नकारात्मक अपवर्तन की सुविधा के लिए एक हाइब्रिड प्लास्मोनिक वेवगाइड डिज़ाइन

प्लास्मोनिक्स या नैनोप्लाज्मोनिक्स[1] नैनोमीटर मापदंड में धातु-डाइलेक्ट्रिक इंटरफेस के साथ ऑप्टिकल आवृत्तियों पर संकेतों की पीढ़ी पहचान और हेरफेर को संदर्भित करता है।[2] फोटोनिक्स से प्रेरित, प्लास्मोनिक्स ऑप्टिकल उपकरणों को छोटा करने की प्रवृत्ति का अनुसरण करता है ( नैनो फोटोनिक्स भी देखें), और संवेदन, माइक्रोस्कोपी, ऑप्टिकल संचार और बायो-फोटोनिक्स में अनुप्रयोग पाता है।[3]


सिद्धांत

Main articles: सरफेस प्लास्मोन, सतह प्लास्मोन पोलरिटोन, and स्थानीयकृत सतह समतल

प्लास्मोनिक्स सामान्यतः तथाकथित सरफेस प्लास्मोन पोलरिटोन सरफेस प्लास्मोन पोलरिटोन (एसपीपी) का उपयोग करता है,[2] एक परावैद्युत (जैसे कांच, हवा) और एक धातु (जैसे चांदी, सोना) के बीच इंटरफेस के साथ एक विद्युत चुम्बकीय विकिरण के साथ एक साथ यात्रा करने वाले सुसंगत इलेक्ट्रॉन दोलन हैं। एसपीपी मोड शक्तिशाली प्रकाश-पदार्थ इंटरैक्शन को उत्पन्नं करता है उनके सहायक इंटरफ़ेस तक दृढ़ता से सीमित हैं। विशेष रूप से धातु में इलेक्ट्रॉन गैस विद्युत-चुंबकीय तरंग के साथ दोलन करती है। क्योंकि गतिमान इलेक्ट्रॉन बिखरे हुए हैं, प्लास्मोनिक संकेतों में ओमिक हानि सामान्यतः बड़े होते हैं, जो संकेत ट्रांसफर दूरी को उप-सेंटीमीटर सीमा तक सीमित करते हैं, [4] जब तक हाइब्रिड ऑप्टोप्लास्मोनिक प्रकाश मार्गदर्शक नेटवर्क,[5][6][7] या प्लास्मों लाभ प्रवर्धन[8] उपयोग किया जाता है। एसपीपी के अतिरिक्त धातु नैनोकणों द्वारा समर्थित स्थानीय सतह प्लास्मोन मोड को प्लास्मोनिक्स मोड कहा जाता है। दोनों मोड बड़े गति मानो की विशेषता है, जो फोटॉन अवस्थाओ के स्थानीय घनत्व के शक्तिशाली गुंजयमान वृद्धि को सक्षम करते हैं,[9] और ऑप्टो-इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के अशक्त ऑप्टिकल प्रभावों को बढ़ाने के लिए उपयोग किया जा सकता है।

प्रेरणा और वर्तमान चुनौतियाँ

फोटोनिक एकीकृत परिपथ फोटोनिक इंटीग्रेटेड परिपथ (पीआईसी) की डेटा क्षमता के साथ इलेक्ट्रॉनिक्स की आकार दक्षता को संयोजित करने के लिए वर्तमान में विद्युत परिपथ के साथ या इलेक्ट्रिक परिपथ एनालॉग में प्लास्मोनिक्स को एकीकृत करने का प्रयास किया जा रहा है।[10] जबकि विद्युत परिपथों के लिए उपयोग किए जाने वाले सीएमओएस नोड्स की गेट लंबाई लगातार कम हो रही है पारंपरिक पीआईसीएस का आकार विवर्तन-सीमित प्रणाली द्वारा सीमित है, इस प्रकार आगे एकीकरण के लिए एक अवरोध बनता है। प्लास्मोनिक्स इलेक्ट्रॉनिक और फोटोनिक घटकों के बीच इस आकार के बेमेल को पाट सकता है। साथ ही, फोटोनिक्स और प्लास्मोनिक्स एक दूसरे के पूरक हो सकते हैं, क्योंकि सही परिस्थितियों में ऑप्टिकल संकेतों को एसपीपी में परिवर्तित और इसके विपरीत किया जा सकता है।

प्लास्मोनिक परिपथ को एक साध्य वास्तविकता बनाने में सबसे बड़े उद्देश्यों में से एक सतह प्लास्मों की छोटी प्रसार लंबाई है। सामान्यतः सतह के प्लास्मॉन केवल मिलीमीटर के मापदंड पर दूरियों की यात्रा करते हैं इससे पहले कि भिगोना संकेत को कम कर देता है।[11] यह सामान्यतः ओमिक हानियों के कारण होता है, जो विद्युत क्षेत्र की गहराई में धातु में प्रवेश करने पर तेजी से महत्वपूर्ण हो जाता है। शोधकर्ता विभिन्न प्रकार की पदार्थो ज्यामिति, आवृत्ति और उनके संबंधित गुणों की जांच करके सतह प्लास्मोन प्रसार में होने वाले हानि को कम करने का प्रयास कर रहे हैं।[12] नई होनहार कम-हानि वाली प्लास्मोनिक पदार्थ में धातु ऑक्साइड और नाइट्राइड सम्मिलित हैं[13] साथ ही ग्राफीन[14] अधिक डिजाइन स्वतंत्रता की कुंजी उत्तम निर्माण विधि हैं जो सतह खुरदरापन को कम करके हानि को कम करने में योगदान कर सकती हैं।

एक और दूरदर्शितापूर्ण बाधा प्लास्मोनिक परिपथ को दूर करना होगा ऊष्मा है; प्लास्मोनिक परिपथ में ऊष्मा जटिल इलेक्ट्रॉनिक परिपथ द्वारा उत्पन्न ऊष्मा से अधिक हो भी सकती है और नहीं भी हो सकती है [11] यह वर्तमान में फंसे हुए ऑप्टिकल भंवरों का समर्थन करने के लिए डिज़ाइन करके प्लास्मोनिक नेटवर्क में ऊष्मा को कम करने का प्रस्ताव दिया गया है, जो अंतर-कण अंतराल के माध्यम से प्रकाश शक्ति प्रवाह को प्रसारित करता है जिससे अवशोषण और ओमिक ऊष्मा कम हो जाता है,[15][16][17] ऊष्मा के अतिरिक्त परिपथ में प्लास्मोनिक संकेत की दिशा को इसके आयाम और प्रसार लंबाई को कम किए बिना बदलना भी कठिन है।[10] प्रसार की दिशा को मोड़ने के उद्देश्य का एक चतुर समाधान ब्रैग दर्पण का उपयोग एक विशेष दिशा में संकेत को कोण करने के लिए, या संकेत के स्प्लिटर के रूप में कार्य करने के लिए भी है।[18] अंत में थर्मल उत्सर्जन हेरफेर के लिए प्लास्मोनिक्स के उभरते हुए अनुप्रयोग [19] और ऊष्मा -असिस्टेड मैग्नेटिक रिकॉर्डिंग [20] नई बढ़ी हुई कार्यात्मकताओं के साथ उपकरणों को प्राप्त करने के लिए धातुओं में ओमिक हानि का लाभ उठाएं है ।

वेवगाइडिंग

हाइब्रिड प्लास्मोनिक वेवगाइड पर क्षेत्र वितरण

इष्टतम प्लास्मोनिक वेवगाइड डिज़ाइन एक प्लास्मोनिक परिपथ के अंदर सतह प्लास्मोन्स के परिसीमन और प्रसार लंबाई दोनों को अधिकतम करने का प्रयास करते हैं। सरफेस प्लास्मोन पोलरिटोन को एक जटिल लहर वेक्टर की विशेषता होती है, जिसमें धातु-डाइलेक्ट्रिक इंटरफ़ेस के समानांतर और लंबवत घटक होते हैं। तरंग सदिश घटक का काल्पनिक भाग एसपीपी प्रसार लंबाई के व्युत्क्रमानुपाती होता है, जबकि इसका वास्तविक भाग एसपीपी परिसीमन को परिभाषित करता है।[21] एसपीपी फैलाव विशेषताएँ वेवगाइड वाली पदार्थो के डाइलेक्ट्रिक स्थिरांक पर निर्भर करती हैं। प्रसार की लंबाई और सतह प्लास्मोन पोलरिटोन तरंग का परिसीमन विपरीत रूप से संबंधित है। इसलिए, मोड के शक्तिशाली कारावास का परिणाम सामान्यतः कम प्रसार लंबाई में होता है। एक प्रायोगिक और प्रयोग करने योग्य सतह प्लास्मोन परिपथ का निर्माण प्रसार और कारावास के बीच एक समझौते पर बहुत अधिक निर्भर है। कारावास और प्रसार लंबाई दोनों को अधिकतम करने से कारावास और इसके विपरीत प्रसार लंबाई चुनने की कमियों को कम करने में सहायता मिलती है। शक्तिशाली कारावास और पर्याप्त प्रसार लंबाई के साथ प्लास्मोनिक परिपथ की खोज में कई प्रकार के वेवगाइड बनाए गए हैं। कुछ सबसे सामान्य प्रकारों में इंसुलेटर-मेटल-इंसुलेटर (आईएमआई) सम्मिलित हैं,[22] धातु-इन्सुलेटर-धातु (एमआईएम),[23] डाइलेक्ट्रिक भरी हुई सतह प्लास्मोन पोलरिटोन (डीएलएसपीपी),[24][25] गैप प्लास्मोन पोलरिटोन (जीपीपी),[26] चैनल प्लास्मोन पोलरिटोन (सीपीपी),[27] वेज सरफेस प्लास्मोन पोलरिटोन (वेज),[28] और हाइब्रिड ऑप्टो-प्लास्मोनिक वेवगाइड्स और नेटवर्क[29][30] धातुओं में एसपीपी प्रसार के साथ अपव्यय हानियों को लाभ प्रवर्धन द्वारा या फाइबर और युग्मित-गुंजयमान यंत्र वेवगाइड्स जैसे फोटोनिक तत्वों के साथ हाइब्रिड नेटवर्क में जोड़कर कम किया जा सकता है।[29][30] इस डिजाइन के परिणामस्वरूप पहले उल्लेखित हाइब्रिड प्लास्मोनिक वेवगाइड हो सकता है, जो स्वीकार्य प्रसार लंबाई के साथ-साथ प्रकाश की विवर्तन सीमा के दसवें भाग के मापदंड पर उपतरंगदैर्ध्य मोड प्रदर्शित करता है।[31][32][33][34]


युग्मन

प्लास्मोनिक परिपथ के इनपुट और आउटपुट पोर्ट क्रमशः ऑप्टिकल संकेत प्राप्त और भेजेंगे ऐसा करने के लिए, सतह प्लास्मोन के लिए ऑप्टिकल संकेत का युग्मन और डिकूपिंग आवश्यक है।[35] सतह प्लास्मोन के लिए फैलाव संबंध प्रकाश के लिए फैलाव संबंध से पूरी तरह से नीचे है, जिसका अर्थ है कि आने वाले प्रकाश और सतह प्लास्मोन पोलरिटोन तरंगों के बीच संवेग संरक्षण प्राप्त करने के लिए इनपुट कपलर द्वारा अतिरिक्त गति प्रदान की जानी चाहिए, जो प्लास्मोनिक परिपथ में लॉन्च की गई है।[10] इसके लिए कई समाधान हैं, जिसमें धातु की सतह पर डाइलेक्ट्रिक प्रिज्म, ग्रेटिंग्स, या स्थानीयकृत प्रकीर्णन तत्वों का उपयोग करना सम्मिलित है, जो घटना प्रकाश और सतह के प्लास्मों के संवेग से मिलान करके युग्मन को प्रेरित करने में सहायता करता है।[36] एक सतह समतल बनाने और एक गंतव्य पर भेजे जाने के बाद, इसे फिर एक विद्युत संकेत में परिवर्तित किया जा सकता है। यह धातु के विमान में एक फोटोडेटेक्टर का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है, या सतह के प्लास्मोन को स्वतंत्र रूप से फैलने वाले प्रकाश में बदल दिया जा सकता है जिसे बाद में विद्युत संकेत में परिवर्तित किया जा सकता है।[10] वैकल्पिक रूप से, संकेत को ऑप्टिकल फाइबर या वेवगाइड के प्रसार मोड में जोड़ा जा सकता है।

सक्रिय उपकरण

पिछले 50 वर्षों में सतह के प्लास्मों में हुई प्रगति ने सक्रिय और निष्क्रिय दोनों प्रकार के उपकरणों के विकास को प्रेरित किया है। सक्रिय उपकरणों के कुछ सबसे प्रमुख क्षेत्र ऑप्टिकल, थर्मो-ऑप्टिकल और इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल हैं। ऑल-ऑप्टिकल उपकरणों ने मॉड्यूलेटर के रूप में उपयोग किए जाने पर सूचना प्रसंस्करण, संचार और डेटा संचयन के लिए एक साध्य स्रोत बनने की क्षमता दिखाई है। एक उदाहरण में, विभिन्न तरंग दैर्ध्य के दो प्रकाश पुंजों की परस्पर क्रिया को कैडमियम सेलेनाइड क्वांटम डॉट के माध्यम से सह-प्रचारित सतह प्लास्मों में परिवर्तित करके प्रदर्शित किया गया था।[37] इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल उपकरणों में मॉड्यूलेटर के रूप में भी ऑप्टिकल और इलेक्ट्रिकल दोनों उपकरणों के संयुक्त पहलू होते हैं। विशेष रूप से, इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेटर को स्पष्ट रूप से युग्मित गुंजयमान धातु ग्रेटिंग्स और नैनोवायरों का उपयोग करके डिज़ाइन किया गया है जो लंबी दूरी की सतह प्लास्मों (एलआरएसपी) पर विश्वाश करते हैं।[38] इसी तरह, थर्मो-ऑप्टिक उपकरण जिसमें एक डाइलेक्ट्रिक पदार्थ होता है, जिसका अपवर्तक सूचकांक तापमान में भिन्नता के साथ बदलता है, का उपयोग दिशात्मक-युग्मक स्विच के अतिरिक्त एसपीपी संकेतों के इंटरफेरोमेट्रिक मॉड्यूलेटर के रूप में भी किया जाता है। कुछ थर्मो-ऑप्टिक उपकरणों को सोने की धारियों के साथ एलआरएसपी वेवगाइडिंग का उपयोग करने के लिए दिखाया गया है जो एक बहुलक में एम्बेडेड होते हैं और मॉड्यूलेशन और दिशात्मक-युग्मक स्विच के साधन के रूप में विद्युत संकेतों द्वारा गर्म होते हैं।[39] एक अन्य संभावित क्षेत्र नैनोस्केल लिथोग्राफी, प्रोबिंग और माइक्रोस्कोपी जैसे क्षेत्रों में सैर के उपयोग में निहित है।[40]


निष्क्रिय उपकरण

चूँकि सक्रिय घटक प्लास्मोनिक परिपथीय के उपयोग में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, निष्क्रिय परिपथ केवल अभिन्न और, आश्चर्यजनक रूप से, बनाने के लिए तुच्छ नहीं हैं। प्रिज्म (ऑप्टिक्स), लेंस (प्रकाशिकी) और बीम विभाजक जैसे कई निष्क्रिय तत्वों को प्लास्मोनिक परिपथ में प्रयुक्त किया जा सकता है, चूँकि नैनो मापदंड पर निर्माण कठिन सिद्ध हुआ है और इसका प्रतिकूल प्रभाव पड़ा है। अलग-अलग अपवर्तक सूचकांक वाले अपवर्तक तत्व का उपयोग करने की स्थिति में डिकॉप्लिंग के कारण महत्वपूर्ण हानि हो सकता है। चूँकि हानि को कम करने और फोटोनिक घटकों की कॉम्पैक्टनेस को अधिकतम करने के लिए कुछ कदम उठाए गए हैं। इस तरह का एक कदम ब्रैग परावर्तक के उपयोग पर निर्भर करता है, या एक सतह प्लास्मोन बीम को चलाने के लिए विमानों के उत्तराधिकार से बना दर्पण अनुकूलित होने पर, ब्रैग रिफ्लेक्टर आने वाली शक्ति का लगभग 100% प्रतिबिंबित कर सकते हैं।[10] कॉम्पैक्ट फोटोनिक घटकों को बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली एक अन्य विधि सीपीपी वेवगाइड्स पर निर्भर करती है क्योंकि उन्होंने दूरसंचार तरंग दैर्ध्य के अंदर 3 डीबी से कम स्वीकार्य हानि के साथ शक्तिशाली बंधन प्रदर्शित किया है।[41] निष्क्रिय उपकरणों के साथ-साथ सक्रिय उपकरणों के उपयोग के संबंध में हानि और कॉम्पैक्टनेस को अधिकतम करना, प्लास्मोनिक परिपथ के उपयोग के लिए अधिक संभावनाएं उत्पन्न करता है।

यह भी देखें

संदर्भ

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