Atomen en moleculen kunnen gemaakt worden om fotonen uit te zenden. Echter, zonder tussenkomst van buitenaf, dit proces is inefficiënt en ongericht. Als het mogelijk was om het proces van fotonencreatie te beïnvloeden in termen van efficiëntie en emissierichting, nieuwe technische mogelijkheden mogelijk zouden zijn, inclusief kleine, multifunctionele lichtpixels die kunnen worden gebruikt om driedimensionale displays te bouwen of betrouwbare single-photon-bronnen voor kwantumcomputers of optische microscopen om individuele moleculen in kaart te brengen.

"Optische antennes" ter grootte van een nanometer zijn een bekende benadering. Ze zijn in staat om fotonen met hoge efficiëntie in een bepaalde richting te sturen. Het idee gaat terug naar Nobelprijswinnaar Richard P. Feynman die antennes op nanoschaal voor ogen had tijdens een toespraak aan het California Institute of Technology in 1959.

Feynman was zijn tijd ver vooruit, maar hij inspireerde snelle ontwikkeling in nanotechnologie, waarmee vandaag de dag antennes voor zichtbaar licht kunnen worden gebouwd. De afmetingen en constructiedetails van dergelijke antennes zijn nauwkeurig te regelen op een grootte van ongeveer 250 nanometer.

De tekortkomingen van bestaande lichtantennes

De vorm van deze optische antennes is eerder geïnspireerd op gevestigde modellen uit de radiocommunicatie en radiotechnologie, die meestal zijn gemaakt van speciaal gevormde metaaldraden en metalen staafreeksen voor golflengten in het centimeterbereik. Het is mogelijk om antennes voor lichtgolven te construeren met behulp van metalen nanostaafjes om de aanmaak en voortplanting van fotonen te beïnvloeden, maar de analogie tussen radiogolven en lichtgolven is beperkt.

Terwijl macroscopische radioantennes een hoogfrequente generator hebben die via een kabel op de antenne is aangesloten, de link op nanometerschaal van een lichtgolflengte moet contactloos zijn. Maar atomen en moleculen die fungeren als fotonenbronnen hebben geen verbindingskabels om ze aan te sluiten op een optische antenne.

Het is dit grote verschil, gecombineerd met een aantal andere uitdagingen veroorzaakt door de hoge frequentie van licht, dat maakte het tot nu toe moeilijk om fotonen met optische antennes op een bevredigende manier te produceren en vervolgens te besturen.

Natuurkundigen van de Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg in Beieren, Duitsland, hebben dit probleem nu opgelost en een reeks regels opgesteld voor geoptimaliseerde optische antennes, die zijn gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

De nieuwe regels zouden kunnen resulteren in antennes voor licht die een nauwkeurige controle van fotonenemissie en daaropvolgende voortplanting mogelijk maken, althans theoretisch volgens Thorsten Feichtner, een onderzoeker bij JMU's Institute of Physics in het team van professor Bert Hecht.

Het principe achter de nieuwe antennes

"Het idee hierachter is gebaseerd op het principe van gelijkenis, ", legt de natuurkundige uit Würzburg uit. "Nieuw in ons onderzoek is dat de stromen van de vrije elektronen in de antenne tegelijkertijd aan twee overeenkomstvoorwaarden moeten voldoen. Ten eerste, het stroompatroon in de antenne moet vergelijkbaar zijn met de veldlijnen in de directe nabijheid van een lichtgevend atoom of molecuul. Ten tweede, het stroompatroon moet ook zo goed mogelijk overeenkomen met het homogene elektrische veld van een vlakke golf, zodat elk foton een verre ontvanger kan bereiken."

De nieuwe antennes voor licht die met behulp van deze nieuwe regels zijn gebouwd, extraheren veel meer fotonen uit een zender dan eerdere antennetypes die zijn afgeleid van radiotechnologie.