Onderzoekers van Berkeley Lab hebben een nieuwe klasse van vlinderdasvormige apparaten ontwikkeld die vastleggen, filter en stuur licht op nanoschaal. Deze "nano-colorsorter"-apparaten fungeren als antennes om het licht in kleine ruimtes te focussen en te sorteren, een nuttige techniek voor het oogsten van breedbandlicht voor kleurgevoelige filters en detectoren.

Momenteel, optische vezels gebruiken licht om gegevens met een zeer hoge bandbreedte te transporteren, maar de techniek stuit op een wegversperring omdat licht in steeds kleinere fotonische circuits wordt geperst. Deze wegversperring is de diffractielimiet - een fundamentele beperking bij het concentreren van fotonen in gebieden die kleiner zijn dan de helft van hun golflengte. In tegenstelling tot, elektronische apparaten worden gemakkelijk op nanometerschaal gemaakt; echter, elektronische gegevensoverdracht werkt bij frequenties ver onder die voor glasvezel, met een veel lagere bandbreedte, het verminderen van de hoeveelheid gegevens die wordt vervoerd.

Een recente technologie, bedacht "plasmonica, " verdringt elektromagnetische golven in metalen structuren met afmetingen die veel kleiner zijn dan de golflengte van licht voor het verzenden van gegevens op optische frequenties, trouwen met de beste aspecten van optische en elektronische communicatie. Een bijzonder veelbelovende klasse van structuren voor het versterken van dit verdringingseffect zijn optische antennes op nanoschaal gemaakt van goud, die gebruikmaken van plasmonisch gedrag om licht efficiënt op te vangen en te beperken in minuscule afmetingen.

"Net als de antenne op uw tv of radio, optische nanoantennes vangen en concentreren energie efficiënt, maar de golflengten zijn veel kleiner, " zegt Jim Schuck, een stafwetenschapper bij de Molecular Foundry, een nationale gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy in Berkeley Lab die ondersteuning biedt aan nanowetenschappelijke onderzoekers over de hele wereld.

"We hebben de eerste geconstrueerde en op nanoschaal vervaardigde structuur gemaakt voor lichtverdeling op nanoschaal die ultrabeperkte optische informatie kan verzenden en manipuleren met een knop die u gemakkelijk kunt afstemmen - de energie of kleur van licht, " zegt Schuk, die werkt in de Foundry's Imaging and Manipulation of Nanostructures Facility.

Postdoctoraal onderzoeker Molecular Foundry Zhaoyu Zhang, werken met Schuck en Nanofabrication Facility Director Stefano Cabrini, gefabriceerde nanoantennes van vier gelijkzijdige driehoeken van goud, lithografisch patroon om een ​​'kruis'-geometrie te creëren.

Het doorbreken van de symmetrie van dit kruisvormige apparaat beïnvloedt de primaire resonantiemodus - een eigenschap die het best wordt geïllustreerd door het verbrijzelen van een champagnefluit wanneer deze een muzikale toon met de juiste toonhoogte tegenkomt. In deze kruis-nanoantennes, de resonantiemodi komen overeen met verschillende frequenties, of kleuren, van licht.

"We kunnen nu de plasmonische eigenschappen van deze apparaten controleren door asymmetrie te introduceren, en we zien dat rood en blauw licht letterlijk naar links en rechts wordt gestuurd, ", zegt Zhang. "Door de grenzen te verleggen van het manipuleren van licht in een kleiner volume, we kunnen informatie snel en efficiënt naar de ene of de andere plaats verplaatsen, wat belangrijk is voor snel, kleurgevoelige fotodetectie. "

Inderdaad, het verschuiven van de verticaal uitgelijnde vlinderdas in de kruis-nanoantenne, slechts vijf nanometer links van het midden, genereert twee resonantiemodi, het produceren van een tweekleurenfilter. Het team demonstreerde dit effect verder door andere symmetrieën van de strikjes te doorbreken, wat leidt tot een driekleurenfilter. Deze symmetriebreking geeft wetenschappers de mogelijkheid om een ​​apparaat automatisch af te stemmen op een gewenste set kleuren of energieën, cruciaal voor filters en andere detectoren. Met behulp van de nanofabricagemogelijkheden die beschikbaar zijn bij de Foundry, de wetenschappers zijn van plan om te onderzoeken hoe de grootte kan worden aangepast, vorm, en positie van de strikjes om de apparaateigenschappen te optimaliseren. Bijvoorbeeld, duizenden vlinderdassen kunnen worden verpakt in een gebied van minder dan een millimeter breed, waardoor grote, maar ultrasnel, detector arrays.

"Onze bevindingen geven inzicht in het verband tussen eenvoudige symmetriebreking en de coherente koppelingseigenschappen van gelokaliseerde plasmonen, het bieden van een pad voor het ontwerpen van ingewikkelde apparaten die licht kunnen regelen in extreem kleine ruimtes, ’, vult Schuck aan.

Een wetenschappelijk artikel over dit onderzoek getiteld "Manipulating nanoscale light fields with the asymmetric bowtie nano-colorsorter, " door Zhaoyu Zhang, Alexander Weber-Bargioni, Shiwei Wu, Scott Dhuey, Stefano Cabrini en James Schuck, verschijnt in Nano Letters en is beschikbaar in Nano-letters online.

Bron:Lawrence Berkeley National Laboratory (nieuws:web)