Als je naar de lucht kijkt en wolken met wonderlijke vormen ziet, of moeite hebt om door dichte, wazige mist te turen, zie je de resultaten van 'Mie-verstrooiing', wat gebeurt als licht in wisselwerking staat met deeltjes van een bepaalde grootte. Er is een groeiende hoeveelheid onderzoek dat tot doel heeft dit fenomeen te manipuleren en een reeks opwindende technologieën mogelijk te maken.

Dat blijkt uit een onderzoek dat onlangs is gepubliceerd in Nature Communications heeft een multi-institutioneel onderzoeksteam, waaronder de Universiteit van Osaka, de fundamentele beperkingen overwonnen van de manier waarop de efficiëntie van Mie-verstrooiing kan worden verbeterd. Het artikel is getiteld "Multipole engineering door verplaatsingsresonantie:een nieuwe mate van vrijheid van Mie-resonantie."

Onderzoekers op het gebied van metafotonica gebruiken fenomenen als Mie-verstrooiing om apparaatuitvoer te genereren die niet mogelijk is met conventionele nanomaterialen, bijvoorbeeld bewakingstechnologie met laag vermogen.

Jarenlang hebben onderzoekers echter gedacht dat Mie-verstrooiing alleen kan worden gemanipuleerd door de golflengte van het licht of de grootte van de nanostructuur waarmee het interageert te veranderen. Het overwinnen van deze beperking – door uit te breiden op recente onderzoeken die zich richtten op de uitlijning tussen de laser en de nanostructuren – was het doel van het huidige werk.

"In onze aanpak richten we de invallende laser verkeerd uit", legt Yu-Lung Tang, hoofdauteur van het onderzoek, uit. "Met andere woorden, we verplaatsen de verlichtingspositie op nanometerschaal vanuit het midden van de beoogde nanostructuur."

Door dit te doen ontdekten de onderzoekers dat de verstrooiing die de siliciumnanostructuren vertoonden afhing van de mate van verkeerde uitlijning van de strak gefocusseerde laser met het midden van de nanostructuur. Een verkeerde uitlijning van slechts 100 nanometer zou de maximale Mie-resonante verstrooiing kunnen veroorzaken die voorheen verborgen bleef omdat conventionele microscopie gebruik maakt van vlakke golflichtverlichting.

Deze bevindingen zouden de efficiëntie van optische technologieën kunnen vergroten. Het werk van het team zou onderzoekers bijvoorbeeld kunnen helpen volledig optische transistors te ontwikkelen, dat wil zeggen transistors die licht gebruiken in plaats van elektriciteit en de prestaties van hun conventionele elektronische tegenhangers overtreffen.

"We zijn enthousiast omdat we de grondbeginselen van de eeuwenoude lichttheorie van Mie-verstrooiing hebben uitgebreid", zegt Junichi Takahara, senior auteur. "Toepassingen zijn breed en worden momenteel in ons laboratorium uitgevoerd."

Dit werk is een belangrijke stap voorwaarts in ons begrip van de interacties tussen licht en materie. Bovendien zijn deze resultaten niet beperkt tot silicium en hoeft de invallende laser geen zichtbare golflengte te hebben, wat opwindende ontwikkelingen in de metafotonica stimuleert en fantastische technologieën zoals verhulapparaten een stap dichter bij de realiteit brengt.

Meer informatie: Yu-Lung Tang et al, Multipole engineering door verplaatsingsresonantie:een nieuwe mate van vrijheid van Mie-resonantie, Natuurcommunicatie (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43063-y

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door de Universiteit van Osaka