СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПЛАЗМОННЫХ ИМПУЛЬСОВ ПРИ КОЛЛЕКТИВНОМ РАСПАДЕ ВОЗБУЖДЕНИЙ В АНСАМБЛЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК
METHOD FOR GENERATING PLASMON PULSES IN COLLECTIVE DECAY OF EXCITATIONS IN ENSEMBLE OF SEMICONDUCTOR QUANTUM DOTS

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
21
12
21
0
SP
SP
SP
SP
a
1
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 n и поляризацией ρ в ансамбле квантовых точек соотношениями  и Z=n, а К=ωt-kz определяется через значения циклической частоты ω и волнового числа k поля плазмонов, распространяющихся во времени t и пространстве z вдоль плоской границы металл-диэлектрик; параметр  выражается через количество квантовых точек N в области взаимодействия и константу связи g, тогда как коэффициент u 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
d
p
0
m
0
0
p
ε
R
1
R
1
R
1
ε
где  определяет характерное время установления квантовых корреляций между квантовыми точками и выражается через параметр Бергмана  для границы раздела металл/диэлектрик с диэлектрической проницаемостью ε диэлектрика и  металла и с учетом столкновительной частоты γ, а также плазмонной частоты , где  - плазменная частота в металле с массой электронов m, зарядом е при их концентрации n; ε является электрической постоянной,  постоянной Планка,  - константа связи в объеме V, выражающаяся через частоту Раби Ω и , где N - количество плазмонов в области взаимодействия. Параметр Г 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 и диссипативная поправки u имеют физический смысл дополнительных частотной модуляции и эффектов поглощения и возникают за счет учета локального отклика в диэлектрике с комплексным показателем преломления n=n+in, имеющим действительную n и мнимую n части, при определенном выборе которых скорость радиационного затухания квантовых точек может быть скомпенсирована, то есть Г=0.
Краткое описание чертежей.
ex
e
h
QD
g
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, 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-1S в эВ (ось ординат) от размера D в нм (ось абсцисс) CdS КТ (E=2.42 эВ при 0 К для сплошной среды).
p
QD
ε
ε
R
1
1
R
0
2
22
-3
11
-1
-1
13
-1
12
-1
10
-1
Фиг. 2. Профили интенсивности плазмонных импульсов I в МВт/см (ось ординат) от времени t в пс (ось абсцисс), полученные при численном моделировании системы (2) при выборе концентрации N=2.83⋅10 м квантовых точек CdS с размером D=1.56 нм и начальной стохастической поляризацией  вблизи золотой поверхности для случаев нескомпенсированной Г=6.3⋅10 с (штриховая линия) и скомпенсированной Г=0 с при n=1.6 n=1.23 (сплошная линия) скорости затухания в КТ. Параметры взаимодействия: u=-0.1582, γ=4.1⋅10 с, g=1.14⋅10 с, ξ=2.5⋅10 с.
Пример реализации способа.
QD
SP
p
12
a
ε
ε
R
1
p
d
16
-1
-29
22
-3
11
-1
-1
13
-1
12
-1
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=1.56 нм, длина волны межуровневого перехода для которых резонансна плазмонной длине волны λ=192 нм золота (ω=1.37⋅10 с), а соответствующий дипольный момент межзонного перехода составляет μ=μ=5⋅10 Кл⋅м. При концентрации квантовых точек N=2.83⋅10 м их количество в области взаимодействия с объемом  оказывается равным N=200, а величина длительности формируемого плазмонного импульса составит 450 фс с учетом скорости затухания Г=6.3⋅10 с или 250 фс при ее компенсации Г=0 с путем выбора диэлектрика с n=1.6, n=1.23 (K=-0.0147) (на Фиг. 2); столкновительная частота золота γ=4.1⋅10 с, величины константы связи g=1.14⋅10 с, параметр Бергмана , его производная  при ε=2.56.