Los dispositivos plasmónicos combinan la 'supervelocidad' de la óptica con la 'superpequeña' de la microelectrónica. Estos dispositivos exhiben efectos cuánticos y se muestran prometedores como posibles elementos de circuito ultrarrápidos, pero el procesamiento actual de materiales limita este potencial. Ahora, un equipo de investigadores con sede en Singapur ha utilizado un nuevo proceso físico, conocido como tunelización plasmónica cuántica, para demostrar la posibilidad de dispositivos plasmónicos cuánticos prácticos.

La tunelización es un aspecto intrigante de la mecánica cuántica mediante el cual una partícula puede atravesar una barrera clásicamente insuperable. Teóricamente El efecto túnel plasmónico cuántico solo se nota cuando los componentes plasmónicos están muy poco espaciados, dentro de medio nanómetro o menos. Sin embargo, investigadores del Instituto A * STAR de Investigación e Ingeniería de Materiales, el Instituto A * STAR de Computación de Alto Rendimiento y la Universidad Nacional de Singapur pudieron observar efectos cuánticos entre materiales separados por más de un nanómetro.

Investigaron el túnel de electrones a través de un espacio entre dos cubos de plata a nanoescala recubiertos con una monocapa de moléculas. La microscopía electrónica de transmisión de alta resolución mostró que estos nanocubos se autoensamblaron en pares. La separación, y de ahí la distancia del túnel, entre las nanopartículas podría controlarse mediante la elección de la molécula de superficie, entre 0,5 y 1,3 nanómetros en los casos probados.

La monocapa de moléculas tenía otra función:proporcionar control electrónico molecular sobre la frecuencia de la corriente del túnel oscilante. que podría ajustarse entre 140 y 245 terahercios (1 terahercio =1012 hercios), como se demostró mediante espectroscopía de pérdida de energía de electrones monocromáticos.

Predicciones teóricas, respaldado por resultados experimentales, confirmó la naturaleza de las corrientes de túnel asistidas por plasmones entre los cubos de plata. "Demostramos que es posible hacer brillar la luz sobre un pequeño sistema de dos cubos de plata estrechamente espaciados (ver imagen) y generar una corriente de túnel que oscila muy rápidamente entre estos electrodos de plata, "explica el investigador de A * STAR Michel Bosman." La oscilación es varios órdenes de magnitud más rápida que las velocidades de reloj típicas en microprocesadores, que actualmente operan en el régimen de gigahercios (=109 hercios) ". Al mismo tiempo, los resultados también demuestran la posibilidad de la electrónica molecular de terahercios.

Dos factores contribuyeron al éxito de los experimentos. Primero, los nanocubos tenían superficies atómicamente planas, maximizando el área de superficie de efecto túnel entre las dos nanopartículas. Segundo, la brecha llena de moléculas aumentó la tasa de tunelización, lo que permite medir la tunelización cuántica asistida por plasmón.

"Ahora usaremos diferentes moléculas en la brecha del túnel para averiguar qué tan lejos se pueden llevar las corrientes del túnel, y en qué rango podemos sintonizar la frecuencia de oscilación, "dice Bosman.