Keistas atradimas gali įžiebti nanotechnologijoje revoliuciją, leisiančią gaminti idealius lęšius, didinti medicinos tyrimų ir kompiuterių spartą. Visa tai vadinama vienu vardu "plazmonika".

   Thomas Ebbesenas žiūri prieš šviesą į aukso folijos gabalėlį. Foliją prieš 14 metų pagamino NEC mokslinio centro Princetone (JAV), kur Ebbesenas dirbo, technikai. Iš pirmo žvilgsnio ji atrodo kaip visos folijos. Bet pakanka geriau į ją įsižiūrėti naudojantis elektroniniu mikroskopu ir išvysite šimtus milijonų visai vienodų skylučių, kurių kiekviena yra 200 kartų siauresnė už žmogaus plauką. Ši plona aukso plėvelė turi dar vieną nepaprastą savybę: pro skylutes prasiskverbia daugiau šviesos, nei į jas krinta.

   Atradimas meta iššūkį visam mūsų supratimui apie šviesą. Optikos teorija sako, kad 300 nm skersmens skylutės yra tokios mažos, jog pro jas tegali praeiti tik 0,01 procento į jas tiesiai krintančios matomos šviesos. Eksperimentuodamas Ebbesenas nustatė, kad realiai praeina daugiau nei 100 procentų. Kažkaip iš metalo plėvelės pasidaro piltuvėlis, visą į ją krintančią šviesą nukreipiantis į nanometrines poras.

   Šis atradimas ne tik privertė teoretikus iš naujo permąstyti visas optikos koncepcijas. Jis taip pat pradėjo naują mokslinę kryptį, vadinamą plazmonika, šiuo metu keičiančią supratimą apie tai, ką galima padaryti su šviesa. Netrukus metalo paviršiai bus naudojami šviesos greičiu siuntinėti informaciją iš vienų kelių atomų dydžio grandynų kitiems. Gal būt, diabetu sergantys ligoniai greitai dėkos plazmonikai už kasdien gaunamas insulino dozes. "Plazmonika yra dar viena didelė nanoelektronikos srities naujiena", - sako chemikė Naomi Hals, dirbanti Rice universitete, Hiustone.

   Iki šiol kiekviena abejonė šviesos teorija buvo neįsivaizduojama. Apie šimtą metų mokslininkai tikėjo, kad neįmanoma pamatyti detalių, kurios yra smulkesnės nei jas apšviečiančios šviesos bangos ilgis. Anot klasikinės optikos, taip yra dėl to, kad šviesa sklaidoma kiekviename objekto taške ir iš tų taškų sklinda raibulius tvenkinio paviršiuje primenančios bangos.

   Įmeskite į vandenį du akmenis ir išvysite, kaip bangos ima perkloti viena kitą. Jeigu akmenys nukrito toli vienas nuo kito, kiekvieno jų sukeliamų raibulių raštas nesunkiai atskiriamas ir iš jo matyti, kad į vandenį buvo mesti du akmenys. Tačiau, jei akmenys pliumptelėjo į vandenį arti vienas kito, raštai bus taip persipynę, kad bus sunku nuspręsti, kiek akmenų mesta.

   Panašiai atsitinka ir su į objektą krintančiomis šviesos bangomis. Kalbant tiksliau, tiktai tam tikrą nuotolį nusklidusios šviesos bangos - tos, kurias matome žiūrėdami į objektą - atkeliauja iš taškų, nutolusių vienas nuo kito maždaug per šviesos bangos ilgį. Visa tai yra vadinama difrakcijos riba, aprašoma visuose optikos vadovėliuose.

   Pagal tokią pat logiką aiškėja, kad šviesa, krintanti į ekraną, prigręžiotą mažesnių už bangos ilgį skylučių, interferuos labai intensyviai. Ta interferencija turėtų būti tokia stipri, kad kitos ekrano pusės šviesa beveik nepasieks. Daugiausia šviesos energijos bus sukoncentruota prie pat ekrano kaip paviršinės ar greit išnykstančios (evanescent) bangos. Todėl Ebbesenas ir buvo taip nustebintas, išvydęs, kaip saulės šviesa srūva per 300 nm skersmens skylutes, daug mažesnes už matomos šviesos bangos ilgį.

   Pradžioje jis pamanė, kad kažkas atsitiko su aukso folija, pagaminta eksperimentams, kuriais turėjo būti tikrinama kvantinė elektromagnetinės sąveikos teorija. Greitai patikrinimas elektroninės mikroskopijos laboratorijoje paliudijo, kad viskas gerai. Dar labiau jis nustebo, kai suskaičiavo, kad skylės praleidžia daugiau šviesos, negu į jas tiesiai krinta.

   Ebbesenas užsakė naujus bandinius ir pakartojo eksperimentą. Rezultatai buvo tokie pat. Keistojo atradimo niekas negalėjo paaiškinti, o Ebbesenas savo darbo niekur nepaskelbė. Be to, kadangi nebuvo jokio šio efekto teorinio paaiškinimo, NEC nesuko sau galvos dėl atradimo patentavimo. Ebbesenas kurį laiką šį galvosūkį užmiršo.

   Tie eksperimentai liko paslaptimi iki 1998 m., kol į NEC atėjo dirbti teoretikas Peteris Wolfas ir nugirdo apie keistus Ebbeseno rezultatus. Wolfo specializacija buvo elektronų elgsenos metaluose skaičiavimai. Metalo paviršiuje elektronai gali judėti visai laisvai, sudarydami dvimatį okeaną, kurio paviršius raibuliuoja nuo bangų, vadinamų paviršiniais plazmonais. Wolfas suvokė, kad į metalo paviršių krintant šviesos bangoms, jos gali sujudinti ir elektronų jūrą. Jis suskaičiavo, kad tada, kai šviesos, krintančios į metalą, dažnis kažkaip atitinka paviršinių plazmonų rezonansinį dažnį, gali atsirasti keisti efektai, kuriuos stebėjo Ebbesenas. Wolfas pasiūlė kelis kitus eksperimentus, turinčius patvirtinti jo teoriją, ir 1998 m. jie abu pagaliau paskelbė apie naująjį reiškinį žurnale "Nature". Nuo atradimo dienos tuo metu buvo praėję jau devyneri metai.

   Wolfas ir Ebbesenas įrodė, kad šviesa sugeba prasiskverbti pro skylutes todėl, kad trumpam virsta metale sklindančiais paviršiniais plazmonais, o po to vėl pavirsta šviesa. Bet tatai gali įvykti tiktai tuomet, jei ir šviesos, ir paviršinių plazmonų energija ir impulsas yra tokie pat. Taip nebūna lygiuose, spindinčiuose metalo paviršiuose, bet jei metalas išakytas daugybės skylučių, situacija gali pasikeisti. Skylės suderina paviršinių plazmonų energiją ir impulsą taip, kad jie atitinka šviesos energiją ir impulsą. Kai skylių dydis yra toks, kokio reikia, o metalas yra apšviečiamas atitinkamo bangos ilgio šviesa, paviršiniai plazmonai pradeda rezonuoti. Ebbeseno folijoje paviršiniai plazmonai sukaupdavo šviesos elektromagnetinę energiją nedidelėse erdvėse, supančiose skyles metale.

   Kadangi paviršiniai plazmonai sukoncentruoja elektromagnetinių bangų energiją mažyčiame tūryje, jie sukuria stiprius elektrinius laukus, kurie yra svarbūs daugelyje taikymų. Ebbeseno folijoje skyles supantis stiprus laukas galėjo prasiskverbti kiaurai pro foliją į kitą jos pusę, kur sužadindavo antrą paviršinių plazmonų rinkinį. Pastarųjų energija vėl pavirsdavo šviesa. Taigi, nors atrodo, kad šviesa plūsta kiaurai pro foliją, tai nebėra ta pati šviesa, kuri prieš tai apšvietė metalo paviršių.

   Mokslininkai paviršinius plazmonus žinojo jau šeštajame dešimtmetyje, bet nanometrų dydžio darinius metale jie sugebėjo pirmąkart sukurti tik visai neseniai. Norėdami pašto ženklo dydžio aukso folijos gabaliuke pribadyti milijonus skylučių, NEC inžinieriai pasinaudojo galio jonais, kuriuos yra įmanoma sufokusuoti į kelių nanometrų skersmens pluoštelį. Tačiau taip tekstūruoti paviršiai nėra vienintelis paviršinių plazmonų sukūrimo būdas - daug mokslininkų linksta formuoti paviršinius plazmonus metalinėse nanodalelėse, kurias pasigamino laboratorijose.

   Iki šiol pačiu perspektyviausiu plazmonikos taikymu laikoma galimybė vedžioti fotonus nanometrų dydžio grandynais - vadinamoji fotonikos technologija. Kaskart, kai skambinate į užsienį, siunčiate laišką elektroniniu paštu arba parsisiunčiate Internetu kino filmą, jums padeda šviesa, kuri optinių skaidulų gijomis perduoda didžiulius duomenų bitų spiečius. Galiausiai šviesą tenka suderinti su elektronikos grandynais, nes tik jie gali atkurti garso ir vaizdų informaciją, prie kurios esame pripratę. Tas suderinimas nėra itin patogus, nes masteliai, kuriais operuoja šviesa ir elektronika, labai skiriasi. Optinėmis skaidulomis paprastai sklinda 1550 nm bangos ilgio šviesa, penkis kartus ilgesnė už paskutinio Intel Pentium procesoriaus tranzistorių takelių plotį.

   Norint sutaikyti šias viena nuo kitos nutolusias skales, šviesą tenka iš optinės skaidulos nukreipti į fotodiodus, kurie ją verčia elektriniais signalais. Prieš perduodant šiuos signalus į tranzistorius, juos reikia sustiprinti. Visi šie papildomi prietaisai neleidžia lustų gamintojams sumažinti grandynų iki nanometrinio dydžio. Būtų kur kas geriau, jei galėtume jų išvis atsisakyti, o šviesą nukreipti tiesiog į elektronikos sistemą.

   Harrio Atwaterio grupė iš Kalifornijos technologijos instituto kuria "šviesolaidžius", nukreipiančius šviesą tiesiai į luste esančius tranzistorius. Kaip ir beveik viskas optikoje, šio šviesolaidžio plotis dėl difrakcijos ribos negali būti mažesnis už šviesos bangos ilgį. Siekdami išvengti šio suvaržymo, mokslininkai iš Atwaterio grupės sukonstravo šviesolaidį, sudarytą iš tvarkingai sudėliotų metalinių nanorutuliukų grandinėlės, nusidriekusios per izoliatoriaus paviršių it takelis iš duonos trupinių brolių Grimų pasakoje.

   Mokslininkai apšviečia pirmąją metalo dalelę grandinėlėje mažyčiu šviesos taškeliu ir jis nanodalelėje sukuria svyruojančius paviršinius plazmonus. Jei kitų nanodalelių arti nebūtų, rezonuojanti dalelė perspinduliuotų šviesą visomis kryptimis. Bet nanodalelei paprasčiau perduoti savąją energiją, jeigu ji indukuos elektrinį lauką kitoje grandinėlės nanodalelėje. Ši nanodalelė sąveikauja su dar kita ir taip toliau - viskas vyksta maždaug taip pat, kaip stuksint vienas į kitą arti eilute sukabintiems rutuliams žinomajame Newtono mechanikos pavyzdyje. Iki šiol Atwateris sugebėjo pagaminti 30 nm skersmens šviesolaidžius, o tai yra gerokai mažiau už šviesos bangos ilgį. Kitas žingsnis būtų šviesos įvedimo ir išvedimo į šviesolaidžius pagerinimas naudojant, pavyzdžiui, itin siaurus pluoštelius.

   Tam tikra prasme čia gali padėti paskutinis Ebbeseno darbas. Praėjusiais metais jo grupė pademonstravo, kad nereikia gręžti milijonų skylių šviesai praleisti kiaurai metalo foliją. Pakaktų ir vienos. Tereikia, kad metalo paviršiuje aplink tą skylę būtų suformuotas tam tikras tvarkingas raštas, pavyzdžiui, primenantis jaučio akį. Koncentriški apskritimai, kuriuos Ebbesenas išėsdino savo paskutiniame metalo lakšte, sukoncentruoja plazmonus lygiai taip pat, kaip skylės jo pirmajame eksperimente.

   Šviesai išnirus kitoje folijos pusėje, ji išsiskyrė į visas puses, o Ebbesenui kilo klausimas, kas atsitiktų, jei panašus raštas būtų suformuotas ir kitoje folijos pusėje. Jis prognozavo, kad šviesos pluoštelis kitoje pusėje neišplis, o bus siauras. Būtent taip ir įvyko. Tiesą sakant, pasirodęs pluoštelis buvo toks siauras, kad pradžioje niekas nenorėjo tuo patikėti. Tiktai tada, kai Ebbesenas ir jo kolegos pasiūlė siauro šviesos pluoštelio atsiradimo paaiškinimą, žurnalas "Science" apsisprendė spausdinti jų straipsnį.

   Potencialūs plazmonikos taikymai nesiriboja vien optika: Ebbeseno apertūros galėtų padėti kompiuterių gamintojams sukurti spartesnius ir pigesnius kompiuterius. Luste supakuotų tranzistorių skaičius padvigubėja maždaug kas 18 mėnesių. Norint, kad tokia tendencija galiotų ir toliau, gamintojai privalo sugalvoti, kaip gaminti vis mažesnius grandynus. Šiuo metu, naudojant ultravioletiniu lazeriu apšviečiamus fotošablonus, silicio plokštelės paviršiuje pavyksta sukurti 130 nm pločio detales. Bet plyšių fotošablone negalima be galo mažinti, nes vėl atsiremsime į difrakcijos ribą. Jei Ebbeseno idėja pasiteisintų, jo apertūras būtų galima pigiai ir paprastai pritaikyti esantiems fotolitografijos įrenginiams. Būtų galima pro šabloną praleisti pakankamai šviesos, kuri visai nesiskėstų.

   Plazmonika patraukė ne vien fizikų ir inžinierių dėmesį. Naomi Halas ir Jennifer West iš Rice universiteto Teksase mano, kad ji gali sukelti revoliuciją medicinos diagnostikoje ir vaistų dozavime. Jos abi tyrinėja savo sukurtus "nanokevalus".

   Kiekvienas toks nanokevalas yra sudarytas iš kvarcinio rutuliuko, padengto plonu aukso sluoksniu. Mokslininkės gamina juos, sumesdamos tūkstančius kvarco rutuliukų į puodą ir pridėdamos į jį cheminių medžiagų, vadinamų aminais. Pastarieji prikimba prie rutuliukų paviršiaus ir padengia plaukus primenančia danga. Po to Halas ir West dar primaišo aukso nanorutuliukų, kurie prikimba prie kitų amino molekulių galų. Pridėjus pakankamai daug aukso, jis susikaupia "plaukelių" galuose ir suformuoja apvalkalą, kurio storį galima labai tiksliai valdyti. Keisdamos aukso apvalkalo storį, Halas ir West gali preciziškai perderinti šviesos bangos, kuri sukurs paviršinius plazmonus, virpančius vidiniame ir išoriniame aukso apvalkalo sluoksniuose, ilgį.

   Naudojant technologiją, vadinamą imunoanalize, kraujo bandinyje galima nustatyti tam tikras molekules, pavyzdžiui, su ŽIV susijusius antigenus: tereikia padengti paviršių tam tikrais antikūniais, prie kurių prikimba antigenai iš kraujo. Detektuojant antigenus, kraujo bandinys sumaišomas su papildomais antikūniais, paženklintais fluorescuojančiais dažais. Jie prikimba prie antigeno galo, bet nesiriša su antikūniais, todėl fluorescencijos intensyvumas parodo, kiek kraujyje yra antigenų. Bėda ta, kad kraujyje esantis hemoglobinas sugeria šį silpną fluorescencinį švytėjimą, todėl taip nustatyti antigenų buvimo neįmanoma. Iki šiol mokslininkai paprasčiausiai pašalindavo hemoglobiną, bet toks valymas yra ilgai trunkantis procesas.

   Vietoje to Halas ir West prikabina antikūnius prie nanokevalų, suderintų taip, kad jie sugeria ir spinduliuoja tam tikro bangos ilgio infraraudonąją spinduliuotę, paviršiaus. Kai tokie nanokevalai yra įdedami į kraują, prie antikūnių prisijungia visi ten esantys antigenai. Šitaip gali susijungti net po kelis nanokevalus, dėl to pakinta ir rezonansinis paviršinių plazmonų dažnis. Tai reiškia, kad dabar nanokevalai sugers truputį kito ilgio bangos šviesą. Šis bangos ilgio pokytis net ir nevalytame kraujyje parodys antigenus. Būtent dėl to Halas ir West sugebėjo sumažinti imunoanalizės trukmę iki kelių minučių. Halas tiki, kad ši technologija sudarys sąlygas greitosios pagalbos gydytojams ištirti pacientus pakeliui į ligoninę ir tai gali padėti išgelbėti nemažai gyvybių.

   Jos taip pat tikisi, kad nanokevalai, padengti plonu polimero, turinčio savyje mažą insulino dozę, sluoksniu, vieną dieną bus pradėti naudoti gydant diabetikus. Halas grupė jau parodė laboratorijoje, kad šviečiant silpna infraraudonąja spinduliuote į nanokevalus, ši spinduliuotė sužadina paviršinius plazmonus ir sukoncentruoja spinduliuotės energiją. Išsiskiria pakankamai daug energijos, todėl polimeras išsilydo ir išlaisvina vaistus.

   Prieš pradedant nanokevalus naudoti žmonių gydymui, reikės atlikti dar daug kitų testų, tačiau Halas jau regi, kaip maži cilindrai su milijonais insulinu padengtų nanokevalų bus įsiuvami po ligonio oda. Insulinas išsiskirtų vien pašvietus į odą infraraudonąja spinduliuote. Ji mano, kad šią procedūrą bus galima derinti su kitose laboratorijose kuriamais gliukozės nustatymo metodais. Visus reikalingus komponentus būtų galima sutelkti viename prietaise, kurį pacientai galėtų nešioti užsimovę ant rankos.

   Ne mažiau fantastiškai atrodo plazmonikos panaudojimas kuriant "idealų lęšį", sugebantį sufokusuoti detales, mažesnes už šviesos bangos ilgį, netgi pavienes molekules. Tradiciniai lęšiai neleidžia išskirti mažesnių nei keli šimtai nanometrų - maždaug šviesos bangos ilgio dydžio - detalių. Arčiau vienas kito esančiuose taškuose taip pat atsiranda bangos, nešančios informaciją apie objektą, tačiau jos yra greitai nykstančios ir egzistuoja tik prie pat paviršiaus. Johnas Pendry, Londono Imperial College teoretikas, mano, kad paviršiniai plazmonai gali pagauti tas nykstančiąsias bangas, sustiprinti jas ir vėliau sukurti idealų vaizdą. Kiti mokslininkai vis dar ginčija šiuos teiginius.

   Idealius lęšius stengiasi sukurti kelios tarpusavyje lenktyniaujančios mokslinės grupės. "Mes dar esame pačiame pradiniame tyrimų etape, - sako Pendry. - Tai yra visai nauja koncepcija optikoje. Visa tai labai primena pirmąsias optikos dienas." Kaip prisimename, tada buvo išrastas Galilėjaus teleskopas. Dabar palyginkime jį su Hubble kosminiu teleskopu.