Kleine deeltjes bestaande uit metalen en halfgeleiders kunnen dienen als lichtbronnen in componenten van toekomstige optische computers, omdat ze invallend laserlicht nauwkeurig kunnen lokaliseren en extreem versterken. Een team uit Duitsland en Zweden onder leiding van Prof. Dr. Christoph Lienau en Dr. Jin-Hui Zhong van de Universiteit van Oldenburg heeft nu voor het eerst uitgelegd hoe dit proces werkt. De studie is gepubliceerd in het huidige nummer van het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Voor hun studie het team produceerde hybride nanomaterialen die de optische eigenschappen van metalen en halfgeleiders combineren. Het uitgangspunt van het onderzoek waren sponsachtige gouddeeltjes met een diameter van enkele honderden miljardsten van een meter (nanometer) en poriën met een grootte van ongeveer tien nanometer. De materiaalwetenschappers Dr. Dong Wang en Prof. Dr. Peter Schaaf van de Technische Universiteit van Ilmenau fabriceerden deze nanosponzen en gebruikten verder geavanceerde nanofabricagetechnieken om de sponzen te coaten en hun kleine poriën te infiltreren met een dunne laag van het halfgeleiderzinkoxide.

De deeltjes zijn in staat om de kleur van een optische lichtstraal te veranderen. Bijvoorbeeld, als ze worden bestraald met het licht van een rode laser, ze kunnen blauw laserlicht uitstralen, die een kortere golflengte heeft. De uitgestraalde kleur is afhankelijk van de eigenschappen van het materiaal. "Het creëren van dergelijke zogenaamde niet-lineaire optische materialen met afmetingen op nanoschaal is een van de grote uitdagingen in het huidige optica-onderzoek, ’ meldt Lienau.

In toekomstige optische computers, die licht in plaats van elektronen zou kunnen gebruiken voor berekeningen, dergelijke nanodeeltjes zouden kunnen dienen als kleine lichtbronnen. "Je zou zulke deeltjes nanolasers kunnen noemen, " voegt Zhong toe, die samen met Dr. Jan Vogelsang van de Universiteit van Lund de hoofdauteur van de studie is. Mogelijke toepassingen zijn onder meer ultrasnelle optische schakelaars of transistors.

Om te verduidelijken hoe nanomaterialen licht van de ene kleur in een andere omzetten, teamleden onder leiding van Prof. Dr. Anne L'Huillier en Prof. Dr. Anders Mikkelsen van de Universiteit van Lund in Zweden gebruikten een speciale microscopische methode, ultrasnelle foto-emissie elektronenmicroscopie. Door extreem korte lichtflitsen te combineren met een elektronenmicroscoop, ze waren in staat om direct aan te tonen dat licht efficiënt wordt geconcentreerd in de nanoporiën - een belangrijke voorwaarde voor toekomstige toepassing.

Prof. Dr. Erich Runge, een natuurkundige van de Technische Universiteit van Ilmenau, de eigenschappen van het materiaal gesimuleerd met theoretische modellen. Zoals het team meldt, nanodeeltjes bestaande uit metalen en halfgeleiders bieden waarschijnlijk nieuwe mogelijkheden om de eigenschappen van het uitgestraalde licht aan te passen. "Onze studie biedt fundamentele nieuwe inzichten in hoe hybride metaal-halfgeleider nanostructuren licht versterken, " zegt Zhong. Bovendien, de waarnemingen zouden kunnen helpen bij het ontwikkelen van materialen met nog betere optische eigenschappen.

De onderzoeksgroep "Ultrafast Nano-Optics" aan de Universiteit van Oldenburg onder leiding van Prof. Dr. Christoph Lienau is gespecialiseerd in het bestuderen van processen in de nanowereld met een bijzonder hoge ruimtelijke en temporele resolutie. De natuurkundigen hebben op dit gebied al een aantal belangrijke doorbraken bereikt. Alleen recentelijk, ze ontwikkelden een metalen superlens gemaakt van goud met een voorheen onbereikte optische resolutie.