Wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben de eerste miniatuurlaser ontwikkeld waarbij het licht langs de vloer van een open metalen greppel wordt geleid. De laser kan fungeren als een apparaat op nanoschaal om minuscule hoeveelheden verontreinigende stoffen en andere chemicaliën in de omgeving te detecteren, of de oppervlaktebinding van biomoleculen detecteren voor medische diagnostiek.

Wenqi Zhu van NIST en de Universiteit van Maryland, samen met NIST-natuurkundigen Henri Lezec en Amit Agrawal, beschreven hun werk in een recente editie van Science Advances. Het werk is uitgevoerd in samenwerking met de Nanjing University in China en de University of Michigan.

De ontwikkeling van de nieuwe laser is afhankelijk van de interactie tussen fotonen - lichtdeeltjes - en de zee van elektronen die langs het oppervlak van een metaal drijft. Interacties tussen de fotonen en rimpelingen in de elektronenzee leveren een speciaal type lichtgolf op, een oppervlakteplasmonpolariton (SPP) genoemd, die strak is beperkt om alleen langs het metaaloppervlak te reizen. Deze opsluiting maakt de SPP's zeer gevoelig voor alles wat op het metalen oppervlak ligt.

Als een eerste stap in de richting van het bouwen van de miniatuurlaser, het team maakte van zilver een kleine sleufvormige open holte waarin SPP's kunnen resoneren. De holte is een plat oppervlak geflankeerd door kleine, spiegelachtige zijwanden die de oppervlaktegolven heen en weer reflecteren.

Door zorgvuldige fabricage, de resonantieholte bezat twee belangrijke eigenschappen:alle binnenoppervlakken waren glad op atomaire schaal, variërend in dikte met niet meer dan enkele nanometers, en de zijwanden stonden loodrecht op de vlakke spouwbodem. Het ontwerp, mogelijk gemaakt door zilver te gieten met behulp van een siliconensjabloon met een nauwkeurig patroon, stelde de SPP's in staat om honderden keren heen en weer te stuiteren over de holte zonder noemenswaardige energie te verliezen, als een gitaarsnaar die lange tijd een zuivere noot vasthoudt. dat eigendom, bekend als hoge kwaliteitsfactor, of hoge Q, is essentieel voor het construeren van een laser. De Q gemeten door het team is de hoogste tot nu toe voor elke zichtbaar-lichtresonator die alleen SPP's gebruikt.

Door de hoge Q kon de holte ook fungeren als een extreem selectief filter voor SPP's - alleen die met golflengten die binnen een smalle band vielen, konden in de holte resoneren. Het smalle bereik is belangrijk omdat het de resonantieholte (zelfs voordat deze onderdeel werd van een laser) in staat stelt een zeer gevoelige detector te worden van kleine veranderingen in zijn omgeving - de aanwezigheid van deeltjes of de toevoeging van een dunne film aan de vloer van de holte . Dergelijke veranderingen verschuiven het midden van de band van golflengten die in de holte zullen resoneren.

"Door een smalle resonantie te bereiken, de verschuiving in golflengte is duidelijk, en de open holte kan fungeren als een buitengewoon gevoelige detector, ' zei Lezec.

Na te hebben aangetoond dat de holte als sensor kan worden gebruikt, het team werkte vervolgens om hun ontwerp in een laser te veranderen. Ze deden dit door een ultradunne coating aan de holte toe te voegen die de intensiteit van de SPP die door de structuur reisde, versterkte. Dit is de eerste laser op nanoschaal die ooit is geconstrueerd door een SPP te manipuleren die op een enkel plat metalen oppervlak beweegt. merkte Lezec op.

Simulaties suggereren dat de SPP-laser een nog gevoeligere detector zou kunnen worden voor biologische, chemische en omgevingsmaterialen dan alleen de resonantieholte te gebruiken. Het ontwerp van de laser maakt het ook mogelijk om deze gemakkelijk te integreren in een fotonisch circuit en kan ook nieuwe studies van kwantumplasmonica mogelijk maken, de nanoschaal interactie van materie met de kwantumeigenschappen van licht.