Een internationaal team van onderzoekers van ITMO University, de Australische Nationale Universiteit, en Korea University hebben experimenteel een elektromagnetische golf gevangen in een galliumarsenide-nanoresonator van een paar honderd nanometer groot voor een recordtijd. Eerdere pogingen om licht zo lang op te vangen zijn alleen succesvol geweest met veel grotere resonatoren. In aanvulling, de onderzoekers hebben experimenteel bewijs geleverd dat deze resonator kan worden gebruikt als basis voor een efficiënte lichtfrequentie-nanoconverter. De resultaten van dit onderzoek hebben grote belangstelling gewekt bij de wetenschappelijke gemeenschap en zijn gepubliceerd in Wetenschap , een van 's werelds toonaangevende academische tijdschriften. Wetenschappers hebben suggesties gedaan voor drastisch nieuwe mogelijkheden voor subgolflengte-optica en nanofotonica, waaronder de ontwikkeling van compacte sensoren, nachtzichtapparaten, en optische datatransmissietechnologieën.

Het probleem van het manipuleren van de eigenschappen van elektromagnetische golven op nanoschaal is van het grootste belang in de moderne natuurkunde. Met behulp van licht, we kunnen gegevens over lange afstanden overbrengen, gegevens registreren en uitlezen, en andere operaties uit te voeren die essentieel zijn voor de gegevensverwerking. Om dit te doen, licht moet worden opgesloten in een kleine ruimte en daar gedurende een lange tijd worden vastgehouden, dat is iets waar natuurkundigen alleen in zijn geslaagd met objecten van aanzienlijke omvang, groter dan de golflengte van het licht. Dit beperkt het gebruik van optische signalen in de opto-elektronica.

Twee jaar geleden, een internationaal onderzoeksteam van ITMO University, de Australische Nationale Universiteit, en het Ioffe Institute had theoretisch een nieuw mechanisme voorspeld waarmee wetenschappers licht kunnen vangen in miniatuurresonatoren die veel kleiner zijn dan de golflengte van licht en gemeten in honderden nanometers. Echter, tot voor kort, niemand had het mechanisme in de praktijk geïmplementeerd.

Een internationaal team van onderzoekers van ITMO University, de Australische Nationale Universiteit, en Korea University werd samengesteld om deze hypothese te bewijzen. Eerst, ontwikkelden ze het concept:galliumarsenide werd gekozen als het belangrijkste materiaal, zijnde een halfgeleider met een hoge brekingsindex en een sterke niet-lineaire respons in het nabij-infraroodbereik. Onderzoekers besloten ook over de meest optimale vorm voor de resonator die elektromagnetische straling efficiënt zou opvangen.

Om licht efficiënt op te vangen, de straal moet zo vaak mogelijk door de binnengrenzen van het object worden gereflecteerd zonder aan de resonator te ontsnappen. Men zou kunnen aannemen dat de beste oplossing zou zijn om het object zo complex mogelijk te maken. Eigenlijk, het is precies het tegenovergestelde:hoe meer vlakken een lichaam heeft, hoe groter de kans dat licht eraan ontsnapt. De bijna ideale vorm voor deze koffer was een cilinder, die het minimale aantal grenzen bezit. Een vraag die nog moest worden opgelost, was welke verhouding van diameter tot hoogte het meest effectief zou zijn om licht op te vangen. Na wiskundige berekeningen, de hypothese moest experimenteel worden bevestigd.

"We hebben galliumarsenide gebruikt om cilinders te maken van ongeveer 700 nanometer hoog en met verschillende diameters van bijna 900 nanometer. Ze zijn bijna onzichtbaar voor het blote oog. Zoals onze experimenten hebben aangetoond, het referentiedeeltje had meer dan 200 keer de periode van één golfoscillatie licht opgevangen. Gebruikelijk, voor deeltjes van die grootte is de verhouding vijf tot tien perioden van golftrillingen. En we hebben er 200 behaald! " zegt Kirill Koshelev, de eerste co-auteur van het artikel.

De wetenschappers verdeelden hun onderzoek in twee delen:het ene is een experimentele bevestiging van de eerder geformuleerde theorie, en de andere is een voorbeeld van hoe dergelijke resonatoren kunnen worden gebruikt. Bijvoorbeeld, de val is gebruikt voor een nano-apparaat dat de frequentie kan veranderen, en dus kleur, van een lichtgolf. Bij het passeren van deze resonator, de infraroodstraal werd rood, zichtbaar worden voor het menselijk oog.

De frequentieomzetting van elektromagnetische trillingen is niet de enige toepassing voor deze technologie. Het heeft ook potentiële toepassingen in verschillende detectieapparaten en zelfs speciale glascoatings die het mogelijk zouden maken om kleurrijk nachtzicht te produceren.

"Als de resonator in staat is om licht efficiënt op te vangen, dan plaatsen, zeggen, een molecuul ernaast verhoogt de efficiëntie van de interactie van het molecuul met licht met een orde van grootte, en de aanwezigheid van zelfs een enkelvoudig molecuul kan gemakkelijk experimenteel worden gedetecteerd. Dit principe kan worden gebruikt bij de ontwikkeling van zeer gevoelige biosensoren. Vanwege het vermogen van de resonatoren om de golflengte van licht te wijzigen, ze kunnen worden gebruikt in nachtkijkers. Ten slotte, zelfs in de duisternis, er zijn elektromagnetische infraroodgolven die onzichtbaar zijn voor het menselijk oog. Door hun golflengte te transformeren, we konden zien in het donker. Het enige dat u hoeft te doen, is deze cilinders op een bril of de voorruit van een auto aan te brengen. Ze zouden onzichtbaar zijn voor het oog, maar ons toch in staat stellen om veel beter te zien in het donker dan we alleen kunnen, " legt Kirill Koshelev uit.

Naast galliumarsenide, dergelijke vallen kunnen worden gemaakt met behulp van andere diëlektrica of halfgeleiders, zoals, bijvoorbeeld, silicium, dat is het meest voorkomende materiaal in de moderne micro-elektronica. Ook, de optimale vorm voor het vangen van licht, namelijk de verhouding van de diameter van een cilinder tot zijn hoogte, kan worden opgeschaald om grotere vallen te maken.