Laboratorium Zimnych Atomów przy Powierzchni

Start badania zimne atomy i plazmony
Zimne atomy i plazmony powierzchniowe

Prowadzimy badania submikronowych struktur w cienkich warstwach złota. Badania te wpisują się w nurt poszukiwania optymalnych metod generowania precyzyjnych mikropotencjałów optycznych, pozwalających na dokładną kontrolę ruchu i wewnętrznych stopni swobody atomów dla potrzeb fizyki atomowej i optyki atomów. Przykładem takiej struktury mogą być metaliczne siatki dyfrakcyjne, które umożliwiają wytworzenie przy pomocy światła tak zwanych polarytonów plazmonów powierzchniowych (SPP), które z kolei generują wspomniane wyżej mikropotencjały dla atomów. Wzbudzone SPP powodują wzmocnienie pola elektromagnetycznego przy powierzchni, a następnie generację silnego potencjału odpychającego, działającego na atomy znajdujące się w polu (rys. 1.). Siatki metaliczne zostały wykorzystane do stworzenia lustra dipolowego na bazie SPP dla atomów rubidu. Znalezienie zadowalających geometrii i parametrów struktur w warstwach złota wymaga przeprowadzenia szeregu obliczeń numerycznych, uwzględniających między innymi obecne możliwości technologiczne wytworzenia tych struktur.

idea działania lustra dla atomów na bazie polarytonów plazmonów powierzchniowych

Rys. 1. Idea działania lustra dipolowego dla atomów, działającego na bazie polarytonów plazmonów powierzchniowych generowanych na siatce dyfrakcyjnej.

Polarytony plazmonów powierzchniowych (SPP – Surface Plasmon Polaritions) są to wzbudzenia elektromagnetyczne, propagujące się wzdłuż granicy ośrodków metal-dielektryk, których amplituda maleje wykładniczo wraz ze wzrostem odległości od granicy (podobnie jak dla fali zanikającej). Efektywność oddziaływania pola elektromagnetycznego z siatką dyfrakcyjną zależy od jej parametrów (okres, grubość, materiał, współczynnik wypełnienia) oraz padającej fali (polaryzacja, długość fali, kąt padania).

Analizując relację dyspersji dla SPP widać, że składowa wektora falowego wzdłuż powierzchni jest zawsze większa niż wektor falowy fali elektromagnetycznej o tej samej częstości rozchodzącej się w danym dielektryku. Aby wzbudzić SPP należy zatem dopasować wektory falowe.


KONFIGURACJA KRETSCHMANNA
W  konfiguracji Kretschmanna (rys. 2.) cienka warstwa metalu oświetlana jest przez szklany pryzmat o stałej dielektrycznej εp, pod kątem θ większym od kąta granicznego dla całkowitego wewnętrznego odbicia. W pryzmacie wytworzona zostaje w ten sposób fala zanikająca. Powoduje to zwiększenie składowej wektora falowego fali padającej w kierunku propagacji SPP. Dla odpowiedniego kąta padania θ, długości fali, rodzaju metalu i jego grubości, następuje wzbudzenie polarytonów plazmonów powierzchniowych po przeciwnej stronie metalu.

konfiguracja Kretschmanna

Rys. 2. Wzbudzanie polarytonów plazmonów powierzchniowych w konfiguracji Kretschmanna.


STRUKTURY PERIODYCZNE    
Drugim sposobem wzbudzania SPP jest użycie metalicznej siatki dyfrakcyjnej. Spełnienie jednocześnie warunku na relację dyspersji oraz warunku dyfrakcyjnego dla siatki umożliwia wzbudzenie SPP na granicy ośrodków. W takim wypadku, dla każdego kąta padania istnieje pewien przedział długości fali spełniający wymagany warunek. Spełnienie obu kryteriów sprawia, że składowa styczna wektora falowego fali padającej jest powiększona o wektor siatki o okresie d według przybliżonego wzoru:

składowa wektora falowego równoległa do powierzchni

gdzie m = {0,1,2,3,...} to numery kolejnego rzędu ugięcia.

Dwa rodzaje siatek dyfrakcyjnych, pozwalających na wzbudzanie plazmonów powierzchniowych, są przedstawione poniżej.


SIATKI DYFRAKCYJNE ODBICIOWE

Poniżej naszkicowany jest przekrój przez prostokątną siatkę dyfrakcyjną odbiciową. Wysokość zębów siatki to około 50 nm, okres to 1 μm, a współczynnik wypełnienia wynosi 0.5.


schemat siatki dyfrakcyjnej odbiciowej

Rys. 3. Schemat metalicznej siatki dyfrakcyjnej odbiciowej i poglądowe przedstawienie wzbudzania polarytonów plazmonów powierzchniowych.

Można wyliczyć, że dla długości fali światła laserowego λ = 780 nm, używanego do wzbudzania SPP, okres siatki powinien zawierać się w przedziale 368 nm < d < 765 nm,  aby obecny był tylko zerowy rząd dyfrakcji. Ze względu na trudności w wykonaniu takiej siatki w praktyce, zdecydowano się jednak na wykonanie siatek o okresie zbliżonym do 1 μm. Poniżej przedstawiony jest widok siatki dyfrakcyjnej z mikroskopu optycznego oraz elektronowego. Ze względów technicznych cała siatka jest podzielona na kwadraciki o boku 0.1 mm. Zdjęcie po prawej stronie pokazuje wyciemnienie wiązki odbitej od siatki, gdy spełniony jest warunek na generację plazmonów powierzchniowych. Zdjęcie to uzyskano w układzie naszkicowanym na rys. 5.

siatka dyfrakcyjna odbiciowa

Rys. 4. a) zdjęcie złotej siatki oświetlanej światłem białym z mikroskopu optycznego, b) widok zębów i rowków siatki z mikroskopu elektronowego (szerokość zęba i rowka to 500 nm), c) wyciemnienie w wiązce odbitej od siatki, gdy generowane są plazmony powierzchniowe (patrz tez następny rysunek).


optyczne badanie odbiciowej siatki dyfrakcyjnej

Rys. 5. Układ do optycznego badania odbiciowej siatki dyfrakcyjnej. W takim układzie uzyskano zdjęcie z rys. c).

Symulacje oddziaływania pola elektromagnetycznego z siatką dyfrakcyjną (rys. 6.) zostały przeprowadzone w programie rcwa-1d1, który wykorzystywał ścisłą metodę fal sprzężonych RCWA oraz wersji demonstracyjnej programu EM Explorer, wykorzystującego metodę różnic skończonych w domenie czasowej FDTD. Siatki dyfrakcyjne odbiciowe w złocie zostały przygotowywane na podstawie tych obliczeń, pośrednią metodą litografii elektronowej (EBL) w polimerze, w Uniwersytecie Południowej Danii w Sønderborgu.

symulacja rozkładu natężenia pola EM przy powierzchni siatki

Rys. 6. Symulacja rozkładu natężenia pola elektromagnetycznego w pobliżu siatki dyfrakcyjnej odbiciowej.

W kierunku pionowym pole zanika eksponencjalnie. Wykorzystano to do konstrukcji dipolowego lustra dla zimnych atomów rubidu. Odbitą chmurę atomów po różnych czasach lotu po odbiciu widać poniżej.

chmura odbita w lustrze plazmonowym

Rys. 7. Chmura atomów po odbiciu od lustra dipolowego. Koncepcja układu jest przedstawiona na rys. 1.


SIATKI DYFRAKCYJNE TRANSMISYJNE
Siatki dyfrakcyjne transmisyjne w złocie są przygotowywane metodą bezpośredniego trawienia zogniskowaną wiązką jonów (FIB). Podstawową zaletą siatek transmisyjnych jest obecność wiązki wzbudzającej po przeciwnej stronie siatki niż wzbudzone SPP oraz spadające atomy. Pozwala to na eliminację rozpraszania fotonów z wiązki wzbudzającej (rys. 8 i 9).

transmisyjna siatka dyfrakcyjna

Rys. 8. Przykład realizacji siatki transmisyjnej na szkle. Wysokość siatki to około 50 nm, a szerokość rowków to około 40 nm.

optyczne badanie transmisyjnej siatki dyfrakcyjnej

Rys. 9. Układ do optycznego badania generacji plazmonów powierzchniowych w siatkach transmisyjnych.


Więcej informacji można znaleźć w artykule Optical dipole mirror for cold atoms based on a metallic diffraction grating, Opt. Lett. 39 (2014) oraz w pracach licencjackich Zimne atomy i plazmony powierzchniowe oraz W stronę plazmonowego lustra dla atomów, a także na plakacie Plazmony powierzchniowe dla fizyki atomowej.