Onderzoekers van ETH Zürich hebben een miniatuurapparaat ontwikkeld dat laserachtige stralen kan produceren van een bepaald soort elektromagnetische golf, een oppervlakteplasmon genaamd. Oppervlakteplasmonen kunnen veel strakker worden gefocust dan lichtgolven, waardoor ze nuttig zijn voor toepassingen zoals detectie.

Wanneer licht wordt opgesloten tussen twee gedeeltelijk reflecterende spiegels en wordt versterkt door wat materiaal ertussen, de resulterende straal kan extreem helder zijn en een enkele kleur hebben. Dit is het werkingsprincipe van de laser, een hulpmiddel dat op alle gebieden van het moderne leven wordt gebruikt, van de dvd-speler tot de operatiekamer.

Onderzoekers van ETH Zürich onder leiding van David Norris, professor aan het Optical Materials Engineering Laboratory, en prof. Dimos Poulikakos, professor aan het Laboratorium voor Thermodynamica in Opkomende Technologieën, hebben een miniatuurapparaat ontwikkeld dat hetzelfde principe toepast op zogenaamde oppervlakteplasmonen. De elektromagnetische golven die door zo'n oppervlakteplasmonlaser worden gecreëerd, of "spater", veel scherper kan worden gefocust dan licht, wat ze interessant maakt voor zowel fundamenteel onderzoek als voor technische toepassingen zoals sensing.

Een kleine holte voor oppervlakteplasmonen

In tegenstelling tot gewone lichtgolven, die zich vrij voortplanten in een transparant materiaal, oppervlakteplasmonen bestaan ​​uit elektromagnetische golven die nauw verbonden zijn met rimpelingen in de verdeling van elektronen op het oppervlak van een metaal. De optische effecten van oppervlakteplasmonen zijn te bewonderen, bijvoorbeeld, in de gebrandschilderde ramen van middeleeuwse kathedralen. Daar, plasmonen die door het invallende licht op metalen nanodeeltjes in het glas worden gegenereerd, geven de ramen hun eigenaardige en levendige kleuren.

Het ETH-team heeft nu het equivalent van een laserholte voor oppervlakteplasmonen gecreëerd door extreem gladde zilveren oppervlakken te ontwerpen. waarop twee licht gebogen zilveren blokken, een paar micrometer lang en slechts een halve micrometer hoog, zijn geplaatst. Deze microblokken werken als het equivalent van de spiegels in een laser. Tussen de blokken kunnen oppervlakteplasmonen vele malen heen en weer stuiteren. Eindelijk, de versterking die nodig is om een ​​spaser-straal te verkrijgen, wordt geleverd door kwantumdots die in de holte worden geplaatst. Quantum dots zijn kleine halfgeleiderdeeltjes die zich op dezelfde manier gedragen als afzonderlijke atomen (ze worden soms "kunstmatige atomen" genoemd) en kunnen worden geproduceerd om elektromagnetische golven met een gewenste frequentie te versterken.

De onderzoekers injecteerden de kwantumdots in de spaserholte door ze op te lossen in een vloeistof die vervolgens met nanometerprecisie op het zilveren oppervlak werd gedrukt door een klein mondstuk, met behulp van een techniek die is ontwikkeld in het laboratorium van Poulikakos. Toen de holte en de kwantumstippen eenmaal op hun plaats waren, oppervlakteplasmonen konden in de spaser worden geïnjecteerd door laserlicht op de kwantumstippen te schijnen.

Verdere versterking mogelijk

"In ons werk hebben we geprobeerd de basiselementen van een spaser te integreren in een enkel klein apparaat", legt Jian Cui uit, een senior postdoctoraal onderzoeker in de groep van Norris en auteur van de studie die onlangs is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang . Naast de spaser-holte en het versterkingsmateriaal, de onderzoekers voegden ook een versterker toe die kwantumstippen gebruikt om de helderheid van de oppervlakteplasmonstraal verder te verhogen zodra deze de holte verlaat.

De versterker heeft een driehoekige vorm, zodat de plasmonen niet alleen worden versterkt, maar ook gericht op een tip van nanometerformaat. Daar, de elektromagnetische golven zijn geconcentreerd in een volume dat veel kleiner is dan het kleinste formaat waarop gewoon licht kan worden gefocust. Deze functie kan in de toekomst worden gebruikt, bijvoorbeeld, voor de zeer gevoelige detectie van biologische moleculen.

Naar geïntegreerde schakelingen met spasers

Nu ze hebben aangetoond dat hun miniatuur spaser werkt, de ETH-onderzoekers werken al aan de volgende logische stap. "Onze fabricagemethoden zijn zeer reproduceerbaar en veelzijdig, zodat we nu kunnen nadenken over het maken van geïntegreerde schakelingen met meerdere elementen:spasers, versterkers, detectiegebieden, enzovoorts", zegt professor Norris.

De nieuwe aanpak heeft verschillende voordelen ten opzichte van eerdere pogingen om spasers te realiseren. Eerdere technieken gebruikten een metaaldeeltje als holte, waardoor het niet mogelijk was om de afstandsbalk te verwijderen. De bij ETH ontwikkelde procedure maakt gebruik van een vlakke film met geïntegreerde spiegels, waardoor de onderzoekers meer keuzevrijheid hebben met betrekking tot de grootte en geometrie van de holte, terwijl ze ook de oppervlakteplasmonen rechtstreeks kunnen bestuderen.