Ученые оценили влияние неоднородностей золота на затухание терагерцовых волн

Новосибирские ученые экспериментально доказали, что основной причиной быстрого затухания терагерцовых поверхностных волн на золоте являются не внутренние потери в металле, а рассеяние на микроскопических неоднородностях его поверхности.

Учитывая радиационные потери и специфику поверхности металла, можно будет сильно ошибиться в расчетах при проектировании плазмонных интегральных схем

Источник: Unsplash

Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН в ходе экспериментов на Новосибирском лазере на свободных электронах раскрыли причину, которая ограничивает длину распространения поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) на металлах. Ранее считалось, что основным фактором, сокращающим путь волны, являются омические потери в приповерхностном слое проводника. Однако исследователи доказали, что главную роль играет рассеяние ППП на оптических неоднородностях и шероховатостях поверхности. Это открытие разрешает давний парадокс, когда реальная длина распространения волн оказывалась на несколько порядков меньше расчетной, предсказанной классической моделью Друде.

Плазмон-поляритоны представляют собой связанные колебания электромагнитного поля и электронов на поверхности металла. Эти волны распространяются вдоль границы раздела, лишь незначительно проникая вглубь материала, поэтому их свойства критически зависят от качества и оптических характеристик самого верхнего слоя проводника.

Снимок с атомно-силового микроскопа поверхности золотой пленки демонстрирует сложную зернистую структуру ее поверхности

Источник: new.ras.ru

Как пояснил старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Василий Герасимов, именно неидеальность поверхности, такая как зернистая структура золотых пленок, дефекты и полости, приводит к рассеянию энергии ППП и их быстрому затуханию. Уникальные возможности Новосибирского лазера на свободных электронах позволили провести измерения в беспрецедентно широком диапазоне терагерцовых частот от 0,8 до 6 ТГц с высочайшей точностью.

В ходе работы физики не только идентифицировали проблему, но и предложили эффективный метод ее решения. Экспериментально было показано, что интенсивные радиационные потери, вызванные рассеянием, можно практически полностью подавить, нанеся на металлическую поверхность ультратонкий слой диэлектрика. Его оптимальная толщина составляет всего несколько сотых долей от длины волны и линейно увеличивается с ее ростом. Этот диэлектрический слой улучшает связь плазмон-поляритона с металлом, не позволяя волне легко рассеиваться. 

Ранее ученые СПбГУ нашли магнитные «вихри» в слоях оксидов железа.