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SCIENTIFIC AMERICAN April 2007 

"The Promise of Plasmonics"

「ナノの世界を照らす次世代光技術 プラズモニクス」より抜粋

By Harry A. Atwater H. A. アトウォーター
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Light is a wonderful medium for carrying information. Optical fibers now span the globe, guiding light signals that convey voluminous streams of voice communications and vast amounts of data. This gargantuan capacity has led some researchers to prophesy that photonic devices--which channel and manipulate visible light and other electromagnetic waves--could someday replace electronic circuits in microprocessors and other computer chips. 光は情報を伝送するのに最適な媒体だ。大量のデータを長距離にわたって高速で搬送できる。今日,地球上のいたるところに光ファイバーケーブルが張り巡らされ,大量の音声データやそのほかの信号を光に乗せて伝送し,この高度に発達した情報通信社会を支えている。
現在,マイクロプロセッサーなどのコンピューターチップ内のデータ伝送には電子回路が利用されているが,それを光回路に置き換えようとする努力が精力的に続けられている。可視光やそのほかの電磁波を伝送し,制御できる小型光デバイスが実現されれば,コンピューターチップの処理能力は劇的に向上するだろう。
Unfortunately, the size and performance of photonic devices are constrained by the diffraction limit; because of interference between closely spaced light waves, the width of an optical fiber carrying them must be at least half the light's wavelength inside the material. For chip-based optical signals, which will most likely employ near-infrared wavelengths of about 1,500 nanometers (billionths of a meter), the minimum width is much larger than the smallest electronic devices currently in use; some transistors in silicon integrated circuits, for instance, have features smaller than 100 nanometers. だが残念ながら,光デバイスのサイズや性能は「回折限界」の制約を受けてしまう。空間的に狭い領域に複数の光波を通そうとすると互いに干渉してしまうため,光波を運ぶ光ファイバーには,その光の波長の半分以上の幅が必要だ。チップ内でデータを運ぶ光信号には主に波長が約1500nmの近赤外光が使われることになるだろうが,その場合,光ファイバーの幅は最小でも現在使用されている小型の電子デバイスよりかなり大きくなってしまう。シリコン集積回路中のトランジスタには100nmよりも小さなものもある。
Recently, however, scientists have been working on a new technique for transmitting optical signals through minuscule nanoscale structures. In the 1980s researchers experimentally confirmed that directing light waves at the interface between a metal and a dielectric (a nonconductive material such as air or glass) can, under the right circumstances, induce a resonant interaction between the waves and the mobile electrons at the surface of the metal. (In a conductive metal, the electrons are not strongly attached to individual atoms or molecules.) In other words, the oscillations of electrons at the surface match those of the electromagnetic field outside the metal. The result is the generation of surface plasmons--density waves of electrons that propagate along the interface like the ripples that spread across the surface of a pond after you throw a stone into the water. そこで近年,光信号をナノサイズの構造体を通して伝送する新技術を求めて,精力的に研究が進められている。1980年代,金属と誘電体(空気やガラスのような非導電性物質)の界面に光を照射すると,金属表面を自由に動き回る電子が光波と共鳴的に相互作用する場合があることが実験的に確認された(導電性を持つ金属中では,電子は特定の原子や分子に縛られているわけではなく,自由に動き回ることができる)。つまり,金属表面の電子が金属外部の電磁場の振動に同期して振動する。その結果,池に石を投げ込んだときに生じる水面のさざ波のように,電子の密度波が発生して金属表面を伝わっていく。これが「表面プラズモン」だ。
Over the past decade investigators have found that by creatively designing the metal-dielectric interface they can generate surface plasmons with the same frequency as the outside electromagnetic waves but with a much shorter wavelength. This phenomenon could allow the plasmons to travel along nanoscale wires called interconnects, carrying information from one part of a microprocessor to another. Plasmonic interconnects would be a great boon for chip designers, who have been able to develop ever smaller and faster transistors but have had a harder time building minute electronic circuits that can move data quickly across the chip. この10年間,金属・誘電体界面の構造を工夫することで,外部の電磁場と同じ周波数で振動し,かつ波長の短い表面プラズモンを発生できることがわかった。波長が短いとナノサイズのワイヤにプラズモンを走らせることができ,マイクロプロセッサー内のデータ伝送(インターコネクト)に利用できる。このプラズモニックインターコネクトはチップ設計者の強い味方となるだろう。より小さく,速いトランジスタの開発はたゆみなく続けられているが,チップ内でデータを高速に伝送する微小な電子回路の設計に行き詰まっているからだ。
In 2000 my group at the California Institute of Technology gave the name "plasmonics" to this emerging discipline, sensing that research in this area could lead to an entirely new class of devices. Ultimately it may be possible to employ plasmonic components in a wide variety of instruments, using them to improve the resolution of microscopes, the efficiency of light-emitting diodes (LEDs) and the sensitivity of chemical and biological detectors. Scientists are also considering medical applications, designing tiny particles that could use plasmon resonance absorption to kill cancerous tissues, for example. And some researchers have even theorized that certain plasmonic materials could alter the electromagnetic field around an object to such an extent that it would become invisible. Although not all these potential applications may prove feasible, investigators are eagerly studying plasmonics because the new field promises to literally shine a light on the mysteries of the nanoworld. 2000年にカリフォルニア工科大学の私のグループは,この研究分野が全く新しい種類のデバイスを生み出すと考え,「プラズモニクス」と名づけた。プラズモニックデバイスは顕微鏡の分解能や発光ダイオード(LED)の効率,化学センサーやバイオ検出器の感度など,さまざまな機器の性能向上ももたらすだろう。また医療への応用として,プラズモン共鳴吸収を利用してがん細胞を殺す微粒子の開発が検討されている。さらに,ある物体の周りの電磁場の伝わり方をプラズモニック物質で変化させ,その物体を見えなくすることも可能だと唱える研究者もいる。
こうした応用のすべてが実用化できるわけではないだろうが,研究者がここまでプラズモニクスに熱中するのは,この新しい分野が文字通りナノワールドの神秘を照らし出すからにほかならない。
Shrinking Wavelengths
For millennia, alchemists and glassmakers have unwittingly taken advantage of plasmonic effects when they created stained-glass windows and colorful goblets that incorporated small metallic particles in the glass. The most notable example is the Lycurgus cup, a Roman goblet dating from the fourth century A.D. and now held in the British Museum. Because of plasmonic excitation of electrons in the metallic particles suspended within the glass matrix, the cup absorbs and scatters blue and green light--the relatively short wavelengths of the visible spectrum. When viewed in reflected light, the plasmonic scattering gives the cup a greenish hue, but if a white light source is placed within the goblet, the glass appears red because it transmits only the longer wavelengths and absorbs the shorter ones.
 波長を縮める
金属微粒子を含むガラスでできたステンドグラスや色鮮やかな杯,これらは錬金術師やガラス職人が1000年以上の長きにわたり,無意識のうちにプラズモニック効果を利用して作り出してきたものだ。最も有名なのは4世紀のローマ時代の杯で,現在,大英博物館に納められている「リュクルゴスの杯」だ。ガラス内の金属微粒子の電子がプラズモニック励起して,可視光スペクトルのうちで比較的波長の短い青や緑の光を吸収・散乱する。このため,反射光は緑がかった色合いになる。一方,白色光源を杯の中に置くと,杯は波長の長い光だけを透過する(波長の短い光は吸収・反射する)ので赤く見える。