Nanofotonik

Nanofotonik ya da nano-optik, ışığın nanometre boylarındaki özelliklerini ve bu boyutlardaki maddelerle etkileşimini inceleyen fotonik ile nanoteknolojinin bir alt dalıdır. Optik, malzeme bilimi ile elektrik mühendisliği ile yakın bir ilişki içinde olan nanofotoniğin uygulamaları arasında dalga boyundan küçük nano-anten sensörleri, nanometre boyutlu dalga kılavuzları, yeni nesil fotolitografi teknikleri, yüksek çözünürlüklü mikroskoplar ve metamalzemeler bulunmaktadır.
Nanofotonik, morötesi, görünür ve kızılötesi frekanslardaki elektromanyetik dalgaları incelemektedir; bu frekanslar, boşlukta 300 ile 1200 nanometre dalga boylarına tekabül etmektedir.
Prensipleri
Kırınım sınırı
Nanofotonik uygulamalarının geliştirilmesindeki temel motivasyonlardan biri ışığın kırınım sınırıdır. Işığın dalga özelliklerinin bir sonucu olan bu sınır, ışığın sıkıştırılabileceği en küçük boyutu ışığın boşluktaki dalga boyu ile ilişkilendirir. Belirsizlik ilkesine göre bir fotonun uzayda tek bir eksende sınırlandığı aralık () ile dalga numarasının dağılımı () arasında
ilişkisi bulunmaktadır. Dalga numarası ile dalga boyu arasındaki ilişki göz önünde bulundurulduğunda bu eşitsizlik Rayleigh kırınım sınırına benzer bir şekilde ifade edilebilir:
Bu durum, bir düzlem dalganın normal şartlar altında hapsedilebileceği en küçük sınırı belirler; mikroskop, teleskop ve kamera gibi birçok optik sistemin çözünürlüğü için bu sınır geçerlidir. Nanofotonikte ışığın nanometre boyutlarında manipüle edilerek bu sınırın aşılması hedeflenir.
Yakın bölge optiği
Helmholtz denklemine göre ışığın herhangi bir n ortamındaki dalga vektörünün ilişkisine uyması gerekmektedir. Bazı ortamlarda bir eksendeki dalga vektörünün büyümesi ile kırınım sınırı bu eksen için küçültülebilir ve ışık daha küçük bir alana sıkıştırılabilir. Bu durumda diğer eksenlerdeki dalga numaraları eşitliği sağlayabilmek için sanal değerler alacaktır. Bu durumda ışık bu eksenlerde evanesan dalga halini alır. Örnek olarak, sadece x eksenindeki dalga numarası boşluktaki dalga numarasından daha büyük olan bir ışık hüzmesi fazör gösterimi ile şeklinde ifade edilebilir. Bu dalga y ve z eksenlerinde üstel bir şekilde sönümlenecek ve bu yönlere doğru net bir güç akısına yol açmayacaktır.
Evanesan dalgalar, sönümlenmeleri nedeniyle radyasyon kaynağının uzak bölgesine kadar ilerleyememektedir; bu dalgalar sönümlenmelerinden dolayı ancak radyasyon kaynağının birkaç dalga boyu kadar yakınındaki yakın bölgesinde var olabilmektedir. Düşük dalga boyları ile ilgili bilgi taşıyan evanesan dalga öğelerinin mikroskop gibi standart optik aygıtlarla sezilememesi klasik optikteki kırınım sınırının temel nedenlerindendir. Nanofotonikte incelenen temel olaylar arasında yüzey plazmonları ya da floresan emitör radyasyonları bulunmaktadır; bu iki olayda da evanesan dalgalar devreye girmektedir. Sönümlenen dalgalarda kaybolan bilgilinin yakın bölgede incelenmesi ile kırınım sınırı aşılabilmektedir.
Floresan emitör, kuantum noktaları ve ışık saçılması gibi radyasyon kaynakları tek bir frekans için geniş bir dalga boyu spektrumunda ışık yayabilmektedir; bu kaynakların tepkileri yaklaşık olarak bir ideal Hertz dipolü olarak hesaplanabilmektedir. Nanofotonikte dipol emitörlerin düzlemsel yüzeyler yakınındaki emisyonları sıklıkla incelenmektedir ve bu incelemelerde Green fonksiyonları kullanılır. Kaynağın yakın bölgesindeki evanesan dalga öğeleri de katmanlı yapılarla etkileşime girecektir.
Nanofotonikteki birçok uygulama yarı klasik bir şekilde modellenebilmektedir; bu modelde malzeme özellikleri için kuantum ve dalga mekaniği, ışığın davranışı için ise klasik elektromanyetik teori kullanılır. Raman saçılması gibi bazı durumlarda ise kuantum elektrodinamiği prensiplerinin kullanılması gerekebilir.
Yüzey plazmonları
Metallerin nanometre düzeyinde elektromanyetik dalgalarla etkileşimleri nano-optikte sıklıkla incelenmektedir. Metallerdeki serbest elektronların görünür ve kızılötesi frekanslardaki ışıklarla etkileşimi ile yüzey plazmonu adı verilen dalgalar oluşur. Bu dalgalar, metallerin yüzeyindeki elektron yoğunluğu salınımının ışık ile birlikte eşlenerek hareket etmesi olarak düşünülebilir.
Yüzey plazmonlarının bir türü olan yüzey plazmon polaritonları, metaller ve yalıtkanlar arasındaki yüzey boyunca hareket eder. Bu dalgalar, yüzeye dik olan eksenlerde evanesan dalga biçimini alır; bu sonucu olarak ışık büyük ölçüde metal ile yalıtkan yüzeyine sıkışmış olur. Bir diğer yüzey plazmonu türü ise lokalize yüzey plazmonlarıdır; bu plazmonlar ışığın dalga boylarından çok daha küçük metal nanopartiküllerinde gözlemlenir. Partikülün geometrisine bağlı olarak gelen ışık plazma salınımlarının rezone olmasına yol açar. Bunun sonuncunda elektrik alan büyük ölçüde nanopartikülün yüzeyine sınırlanır.
Işığın metallerle etkileşiminin incelenmesi plazmonik veya nanoplazmonik bilimi olarak bilinmektedir.
Fotonik kristaller ve metamalzemeler
Malzemelerin ışığın dalga boyundan küçük periyotlarda dizilmesi ile ışığın davranışı ve ilerlemesi kontrol edilebilmektedir. Bu şekilde yarı iletkenlerdeki elektronik bant aralığına benzer bir fotonik olan bir malzeme oluşturulabilir; bu frekans bant aralığındaki fotonlar bu malzemeden geçemez. Bu malzemeler fotonik kristaller olarak bilinmektedir ve nano-optikte incelenmektedir.
Uygulamaları ve tarihçe
Nanofotoniğin temel motivasyonlarından biri olan mercekli sistemlerin kırınım limiti, Ernst Abbe tarafından 1873'da ve Lord Rayleigh tarafından 1879'de bulunmuştur. Nanofotonikteki öncü görüntüleme metotlarından olan yakın bölge mikroskobu tekniği ilk kez İrlandalı fizikçi Edward Hutchinson Synge tarafından 1928'de öne sürülmüştür; bu yöntemde yakın bölgedeki evanesan dalgaların toplanması ile yüksek çözünürlüklü görüntüler elde edilmektedir. Benzer bir teori 1956'da gök bilimci John A. O'Keefe tarafından da öne sürülse de yöntem deneysel olarak ilk kez 1972 yılında E. A. Ash ve G. Nicholls öncülüğünde geçirilebilmiştir. Ash ve Nicholls bu çalışmalarında mikrodalga frekanslarını kullanmış ve 10 cm'lik dalga boyunun 60'ta biri kadarlık bir çözünürlük elde etmiştir. Floresans ve darbeli lazer teknolojilerinin geliştirilmesi ile konfokal mikroskopi, ikinci harmonik mikroskopi ve anti-Stokes Raman mikroskopisi gibi çeşitli teknikler de geliştirilmiştir. 1980'li yıllarda taramalı sondalı mikroskopların geliştirilmesi ile incelenen numune ve sonda arasındaki uzaklığın titiz bir şekilde ayarlanabilmesi mümkün olmuştur.
Yüzey plazmonlarının varlığı ilk kez 1957 yılında Rufus Ritchie tarafından öngörülmüştür. Yüzey plazmonlarını kullanan ilk deneysel konfigürasyonlar ise 1960'lı yılların sonlarında A. Otto ve E. Kretschmann ile H. Raether tarafından öne sürülmüştür. Otto konfigürasyonu ile Kretschmann-Raether konfigürasyonları daha sonra icat edilen birçok yüzey plazmon rezonansı sensörlerinin temelini oluşturmuştur. Yüzey plazmon nanopartikülleri ve nano-antenleri çeşitli biyosensör tasarımlarında ve yüzeyde geliştirilmiş Raman spektroskopisi (SERS) gibi yöntemlerde hassaslığı ve çözünürlüğü arttırmak için kullanılmaktadır. Plazmonik dalga kılavuzlarının ise fotonik devre ile nanoelektronik uygulamalarında kullanılması hedeflenmektedir; plazmonik aygıtlarda ışığın optik fiberlere göre daha küçük bir alana sıkıştırılabilmesi elektronik ve fotonik devrelerin nanometre boyutlarına küçültülebilmesini mümkün kılmaktadır. Plazmonik katmanların aynı zamanda LED ve OLED gibi teknolojilerdeki radyasyon etkenliğini de arttırması hedeflenmektedir. Işığın plazmonlar ile daha küçük boyutlara odaklanabilmesi, plazmon-bazlı yeni nesil fotolitografi tekniklerinin geliştirilmesine katkıda bulunmuştur.