物理所基于等离激元的逻辑运算的可扩展性研究取得新进展

2011-7-20 12:03 来源: 中国科学院
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  在纳米尺度上对光实现操控对于基础科学研究和实际应用都具有重要的作用。金属纳米结构的等离激元共振为实现纳米尺度上的光操控提供了一种可能,正逐步显示出其应用潜力。例如金属纳米波导对光场的强的局域性使等离激元在直径小于半波长的一维金属纳米线中传播时可以将能量束缚在纳米波导附近。

  近年来,中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)徐红星研究组在金属纳米线的等离激元性质研究方面做出了一系列的工作,包括远程激发的拉曼散射、与激子的相互作用、发射方向、发射偏振、分光特性、衬底效应、在弯曲纳米线中的传播等【Nano Lett. 9, 2049 (2009); 9, 4168 (2009); 9, 4383 (2009); 10, 1831 (2010); 10, 1950 (2010); 11, 706 (2011); 11, 1603 (2011); Phys. Rev. B 82, 241402 (2010); Appl. Phys. Lett. 96, 103114 (2010); Small 7, 593 (2011)】。他们还证实了通过金属纳米波导可以构建完备的纳米全光逻辑器件,并且实现了1+1=2的简单计算【Nano Lett. 11, 471 (2011)】。

  最近,徐红星研究组的魏红博士等在先前工作的基础上,对等离激元逻辑运算的可扩展性进行了研究。在金属纳米线网络中利用等离激元的干涉效应,通过或门(OR)和非门(NOT)的级联实现了或非(NOR)运算。利用量子点成像手段,他们揭示了该器件的工作机制,即控制端网络结点处的等离激元电场分布必须处于极大值,从而可以跟或运算(OR)的信号实现很好的干涉,将或运算(OR)的结果反转,实现或非(NOR)的运算。

  该工作首次证实了等离激元逻辑的可扩展性,为未来片上集成光信息处理技术开拓了新的可能性。被审稿人评价为“一个突破”,“等离激元领域的一个重大进步,首个等离激元信号处理的结果,并具有实际应用的巨大潜力”。相关结果发表在7月12日发表的Nature Communications上(2011, DOI: 10.1038/ncomms1388)。

  该工作得到了科技部、国家自然科学基金委和中科院知识创新工程的支持。

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图1:或非门的级联实现原理图及实验装置示意图

图2:不同输入下的输出强度的变化

图3:等离激元局域场的分布和入射偏振对等离激元干涉的影响