Spectroscopie is het gebruik van licht om fysieke objecten en biologische monsters te analyseren. Verschillende soorten licht kunnen verschillende soorten informatie geven. Vacuüm ultraviolet licht is nuttig omdat het mensen in een breed scala van onderzoeksgebieden kan helpen, maar het genereren van dat licht is moeilijk en duur geweest. Onderzoekers creëerden een nieuw apparaat om dit speciale soort licht efficiënt te genereren met behulp van een ultradunne film met perforaties op nanoschaal.

De golflengten van licht die je met je ogen ziet, vormen slechts een fractie van de mogelijke golflengten van licht die er zijn. Er is infrarood licht dat je kunt voelen in de vorm van warmte, of kijk of je een slang bent, dat een langere golflengte heeft dan zichtbaar licht. Aan de andere kant bevindt zich ultraviolet (UV) licht dat u kunt gebruiken om vitamine D in uw huid aan te maken, of kijk of je toevallig een bij bent. Deze en andere vormen van licht hebben veel toepassingen in de wetenschap.

Binnen het UV-bereik bevindt zich een subset van golflengten die bekend staat als vacuüm ultraviolet licht (VUV), zo genoemd omdat ze gemakkelijk door de lucht worden geabsorbeerd, maar door een vacuüm kunnen gaan. Sommige VUV-golflengten in het gebied van ongeveer 120-200 nanometer zijn van bijzonder nut voor wetenschappers en medische onderzoekers, omdat ze kunnen worden gebruikt voor chemische en fysische analyses van verschillende materialen en zelfs biologische monsters.

Echter, licht is meer dan een golflengte. Om VUV echt nuttig te maken, het moet ook worden gedraaid of gepolariseerd op een manier die circulaire polarisatie wordt genoemd. Bestaande methoden om VUV te produceren, zoals het gebruik van deeltjesversnellers of lasergestuurde plasma's, veel nadelen hebben, inclusief kosten, schaal en complexiteit. Maar ook, deze kunnen alleen ongedraaide lineair gepolariseerde VUV produceren. Als er een eenvoudige manier was om circulair gepolariseerde VUV te maken, het zou zeer gunstig zijn. Assistent-professor Kuniaki Konishi van het Institute for Photon Science and Technology aan de Universiteit van Tokyo en zijn team hebben misschien wel het antwoord.

"We hebben een eenvoudig apparaat gemaakt om circulair gepolariseerd zichtbaar laserlicht om te zetten in circulair gepolariseerde VUV, in de tegenovergestelde richting gedraaid, "Zei Konishi. "Ons fotonisch kristal diëlektrisch nanomembraan (PCN) bestaat uit een plaat gemaakt van een op aluminiumoxide gebaseerd kristal (ℽ-Al2O3) met een dikte van slechts 48 nm. Het bevindt zich bovenop een 525 micrometer dikke laag silicium met 190 nm brede gaten die er 600 nm uit elkaar zijn gesneden."

In onze ogen ziet het PCN-membraan er gewoon uit als een plat, karakterloos oppervlak, maar onder een krachtige microscoop is het patroon van perforaties te zien. Het lijkt een beetje op de gaten in een douchekop die de waterdruk verhogen om jets te maken.

"Als pulsen van circulair gepolariseerd blauw laserlicht met een golflengte van 470 nm door deze kanalen in het silicium schijnen, het PCN werkt op deze pulsen en draait ze in de tegenovergestelde richting, "zei Konishi. "Het krimpt ook hun golflengten tot 157 nm, wat ruim binnen het bereik van VUV ligt dat zo nuttig is bij spectroscopie."

Met korte pulsen van circulair gepolariseerde VUV, onderzoekers kunnen op submicrometerschaal snelle of kortstondige fysieke verschijnselen waarnemen die anders onmogelijk te zien zijn. Dergelijke verschijnselen omvatten het gedrag van elektronen of biomoleculen. Dus deze nieuwe methode om VUV te genereren kan nuttig zijn voor onderzoekers in de geneeskunde, levenswetenschappen, moleculaire chemie en vastestoffysica. Hoewel een soortgelijke methode al eerder is aangetoond, het produceerde minder bruikbare langere golflengten, en deed dit met behulp van een op metaal gebaseerde film die onderhevig is aan snelle degradatie in aanwezigheid van laserlicht. PCN is hier veel robuuster voor.

"Ik ben blij dat door onze studie van PCN, we hebben een nieuwe en nuttige toepassing gevonden voor de conversie van circulair gepolariseerd licht, het genereren van VUV met de intensiteit die nodig is om het ideaal te maken voor spectroscopie, " zei Konishi. "En het was verrassend dat het PCN-membraan het herhaalde bombardement van laserlicht kon overleven, in tegenstelling tot eerdere op metaal gebaseerde apparaten. Dit maakt het geschikt voor laboratoriumgebruik waar het langdurig kan worden gebruikt. We hebben dit gedaan voor de basiswetenschap en ik hoop dat veel soorten onderzoekers ons werk goed zullen gebruiken."