“Plazmonikler”
Işık, bilgi taşınması için mükemmel bir ortamdır…
Araştırmacılar, optik sinyallerin, ışığın kullanılması ile plazmon olarak tanımlanan elektron yoğunluk dalgalarının üretilmesi sonucunda, küçücük teller içerisinde sıkıştırabileceklerini keşfettiler.
Plazmonik devreler, bilgisayar yonga tasarımcılarının, bir yonga boyunca büyük miktarda veri hareketini hızlı iç bağlantı sistemleri ile yapabilmelerine yardımcı olabilir. Plazmonik devreler, mikroskopların çözünürlüğünü, ışık saçan diyotların etkinliğini, kimyasal ve biyolojik algılayıcıların duyarlılığını geliştirebilir.
Bazı biliminsanları, plazmonik malzemelerin, bir nesne civarındaki elektromanyetik alanı değiştirebileceklerini hatta görünmez yapabileceklerini kurgulamaktadır.
Gerçek bir görünmezlik perdesi, arkasındaki her şeyi saklayabilecek ve görünür ışığın bütün frekanslarında çalışabilecektir. Bu tip bir cihazın yaratılması çok zor gözükebilir ama bazı fizikçiler bunun mümkün olduğunu düşünüyor.
Günümüzde optik fiberler tüm dünyaya yayılmıştır. Büyük miktardaki ses iletişimi ve muazzam büyüklükteki çeşitli veriler, ışık sinyalleri ile iletilmektedir. Bu devasa kapasite, bazı biliminsanlarının fotonik cihazların -görünür ışık ve diğer elektromanyetik dalgaları yönlendirebilen ve kullanabilen- bir gün mikroişlemcilerdeki elektronik devrelerin ve diğer bilgisayar yongalarının yerine geçebileceği kehanetinde bulunmalarına neden olmaktadır. Ne yazık ki, fotonik cihazların boyutu ve performansı, birbirine çok yakın konumlanmış ışık dalgalarının girişimi sonucu, kırılma limiti ile sınırlanmaktadır. Işığı taşıyan optik fiberlerin eni, malzeme içerisinde taşınan ışığın dalga boyunun en az yarısı kadar olmak zorundadır. Yonga bazlı optik sinyaller büyük olasılıkla yaklaşık 1500 nm (metrenin milyarda biri) civarında yakın-kızıl ötesi bölgesinden dalga boyları kullanacaktır. Bu bölgedeki ışığın minimum eni, hali hazırda kullanılan en küçük elektronik devrelerden çok daha büyüktür. Şu an kullanılan silisyum (Si) entegre devrelerindeki bazı transistorlar 100 nm`den daha küçük parçalara sahiptirler.
Fakat şu anda biliminsanları optik sinyallerin, küçücük nano boyuttaki yapılardan iletimi için yeni bir teknik üzerinde çalışmaktadırlar. 1980`li yıllarda araştırmacılar deneysel olarak, ışık dalgalarının, bir metal ve dielektrik (hava ya da cam gibi yalıtkan malzemeler) ara yüzeyine doğru şartlar altında yönlendirilmesinin metal yüzeyindeki dalgalar ile hareketli elektronlar arasında bir rezonans etkileşimine neden olduğunu göstermişlerdir (iletken bir metalde, elektronlar, atom ya da moleküllere kuvvetli olarak bağlı değillerdir). Bir başka ifadeyle, yüzeydeki elektronların salımı ile metalin dışında bulunan elektromanyetik alandakiler eşleşmektedir. Sonuç, yüzey plazmonların oluşması ve elektronların yoğunluk dalgalarının, suya attığınız bir taşın, göl yüzeyinde dalgalar şeklinde yayılması gibi ara yüzeyde ilerlemesine neden olmaktadır.
Son on yılda araştırmacılar, yaratıcı olarak tasarlanmış metal-dielektrik ara yüzeylerinde dış ortamdaki elektromanyetik dalgalarla aynı frekansa sahip fakat çok daha kısa dalga boylu yüzey plazmonların oluşturulabildiğini bulmuşlardır. Bu ortamda plazmonlar, bilgiyi iç bağlantı olarak adlandırılan nano yapılı teller üzerinden mikroişlemcinin bir bölümünden diğer bölümüne taşıyabilmektedir. Plazmonik iç bağlantıları, yonga tasarımcılarına daha küçük ve hızlı transistorların yapımı için büyük bir avantaj sağlayacaktır. Yonga tasarımcıları, yonga üzerinden hızlı veri aktarımı şu an gerçekleştirebilmektedir. Asıl güçlük, küçük elektronik devrelerin yapım zorluğunun bulunmasıdır.
2000 yılında Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü’nden Prof. Atwater ve grubu, bu alanda yapılacak araştırmaların tamamen yeni bir cihaz sınıfı ile sonuçlanacağını hissederek, gelişme sürecinde olan bu disipline “plazmonik” adını verdiler. Mikroskopların çözünürlüğünün geliştirilmesi, ışık saçan diyotların etkinliğinin, kimyasal ve biyolojik algılayıcıların hassasiyetlerinin artırılması, plazmonik bileşenlerin çok çeşitli cihazlarda uygulanması ile mümkün olabilecektir. Bazı biliminsanları, tasarladıkları küçük taneciklerin plazmon rezonans soğurma özelliklerini kullanarak kanserli dokuların yok edilmesi gibi bazı tıbbi uygulamaları da düşünmektedir. Ayrıca bazı biliminsanları, belli plazmonik malzemelerin, bir nesnenin etrafındaki elektromanyetik alanı değiştirebileceğini, hatta bu alanın görünmez olabileceğini düşünmektedirler. Fakat tüm olası uygulamaların tamamının yapılabilir oldukları kanıtlanmasa da araştırmacılar nano dünyanın gizeminin aydınlatılması için plazmonik alanında çalışmayı yoğun bir şekilde yürütüyorlar.
Küçülen dalga boyları
Yüzyıllar boyunca, simyacı ve cam ustaları, boyalı pencere camı ve kadehleri yaparken, farkında olmadan cama küçük metal parçacıkları ekleyerek plazmonik etkilerin avantajlarından yararlanmışlardır. En çok dikkat çeken, şu an İngiltere’de (British Museum) bulunan milattan sonra 4. yüzyıla ait Roma kadehi, Lycurgus kupasıdır. Bunun nedeni, cam matrikste dağılmış metal parçacıkların içerisinde bulunan elektronların plazmonik uyarımı ile kupa bağıl olarak görünen ışık bölgesinin kısa dalga boylarını mavi ve yeşil ışığı soğurmakta ve saçmaktadır. Yansıyan ışıktan bakıldığında, plazmonik saçılma kupaya yeşilimsi bir renk vermektedir. Fakat beyaz bir ışık kaynağı kupanın içerisine yerleştirildiğinde, cam uzun dalga boylarını geçirirken, kısa dalga boylarını soğurduğu için kırmızı renkte görünmektedir (Resim 1).
Yüzey plazmonları ile ilgili araştırmalar 1980’li yılların başında, kimyagerlerin bu olguyu Raman Spektrokopisi kullanarak, bir örnekten saçılan lazer ışığının yansımasının gözlemesi ile moleküler titreşimlerden örneğin yapısının belirlenmesini içeren çalışmalar sırasında başlamıştır. 1989 yılında Thomas Ebbesen, milyonlarca mikroskopik delik ile baskılanmış ince bir altın filmi aydınlattığında, bir şekilde folyonun deliklerinin sayı ve boyutuna göre, tahmin edilenden daha fazla ışığın yayıldığını buldu. Dokuz yıl sonra Ebbesen ve arkadaşları, film üzerindeki yüzey plazmonun elektromanyetik enerjinin iletimini şiddetlendirdiği yorumuna vardılar.
Plazmonik alanı, yeni metamalzemelerin -elektron salımının şaşırtan optik özelliklere neden olan malzemeler- keşfi ile başka bir ilerleme kaydetmiştir. Plazmonik alanında elde edilen başarılar araştırmacıların, plazmonik etkiler ile yaratılmış karmaşık elektromanyetik alanların simülasyonlarını doğru bir şekilde yapabilmelerini ve nano boyuttaki yapıların yapımı için yeni yöntemlerin geliştirilmesi ile ultra küçük plazmonik cihaz ve devrelerin yapımı ve denenmesi mümkün olmuştur.
İlk bakışta, metalik yapıların ışık sinyallerini yayması, metallerin yüksek optik kayıpları nedeniyle pratik gözükmeyebilir. Elektromanyetik alan içerisinde salınan elektronlar, çevredeki örgü atomları ile çarpışarak, hızlı bir şekilde alanın enerjisini dağıtırlar. Fakat, plazmon kayıpları, yığın metale göre ara yüzey ile ince metal film ve dielektrik arasında daha azdır. Bunun nedeni, elektromanyetik alanda yalıtkan ortamda yayılırken, serbest elektron olmadığından, enerji dağıtan çarpışmaların gerçekleşmemesidir. Bu özellik doğal olarak plazmonları, metal yüzey ile dilelektrik arasında hapseder. Bu nedenle, yüzey plazmonları, sadece ince düzlemdeki ara yüzeyde yayılırlar.
Düzlemsel plazmonik yapıların, dalga kılavuzu olarak davranmalarından ve elektromanyetik dalgalara metal-dielektrik sınırında kılavuzluk etmelerinden dolayı, bir yonga üzerindeki sinyallerin yönlendirilmesinde yararlı olabilirler. Bir optik sinyal metal içerisinde, cam gibi dielektrik malzemelere göre, daha fazla kayıp verirken, bir plazmon ince film içerisinde yok olmadan önce santimetrelerce yol alabilir. Yayılma uzunluğu, eğer dalga kılavuzuna asimetrik mod uygulanırsa, metal filmden çevredeki dielektrik ortama elektromanyetik enerjinin daha büyük bir kısmı iletileceğinden, en yüksek seviyeye çıkartılabilir ve kayıp en aza indirilir. Metal filmin yukarı ve aşağı yüzeylerindeki elektromanyetik alanlar birbirleri ile etkileşeceğinden, plazmonların frekansları ve dalga boyları filmin kalınlığı değiştirilerek ayarlanabilir. 1990`lı yıllarda, Ottawa Üniversitesi’nden Pierre Berini ve Danimarka Aalborg Üniversitesi’nden Sergey Bozhevolny’nin araştırma grupları, genellikle bütün dielektrik cihazlar tarafından yapılabilen bazı fonksiyonları -kılavuz dalgaların ayrılması gibi- gerçekleştirebilen düzlemsel plazmonik bileşenler geliştirdiler. Bu yapılar, bir yonganın bir bölümünden diğer bölümüne veri iletiminde kullanılabilirken, plazmonlara eşlik eden elektromanyetik alanlar, işlemcinin nano boyutta olan iç kısımlarına sinyal iletimi için hala çok büyüktüler.
Nano boyuttaki teller üzerinde yayılan plazmonların yaratılması için araştırmacılar, sinyalin dalga boyunu dar bir alanda sıkıştıran çok karmaşık dalga kılavuzu geometrileri geliştirmişlerdir. 1990’lı yılların sonunda, Prof. Atwater ve Gratz Üniversitesinden Prof. Krenn (Avusturya) “alt dalgaboyu” yüzey plazmon dalga kılavuzları üzerinde paralel çalışmalarda bulunmuşlardır. Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü’nden Prof. Atwater ile çalışan Stefan Maier, her biri 100 nm olan düzlemsel altın noktacık zincirleri inşa etmiştir. 570 nm dalga boyundaki görünür ışık, bu noktacıklarda rezonans salımını başlatmış ve zincirler boyunca ilerleyen sadece 75 nm yüksekliğe sahip düzleştirilmiş yüzey plazmonları yaratılmasına neden olmuştur. Prof Graz’ın grubu da benzer sonuçlara ulaşmış ve zincirler boyunca yayılan plazmonların desenlerini görüntülemişlerdir. Bu nano tellerin soğurma kayıpları göreceli olarak fazladır. Fakat sinyalin yok olmadan önce, birkaç yüz nanometreden birkaç mikrometreye kadar iletimi mümkün olmuştur. Bu nedenle, bu dalga kılavuzları sadece kısa mesafeli iç bağlantıları için uygundur.
Yazının devamı Popüler Bilim Dergisi’nde…