(PhysOrg.com) -- Iedereen die ooit een tv heeft gebruikt, radio of mobiele telefoon weet wat een antenne doet:hij vangt de antennesignalen op die deze apparaten praktisch maken. Een laboratorium aan de Rice University heeft een antenne gebouwd die licht op dezelfde manier opvangt, op kleine schaal met een groot potentieel.

Fysicus Doug Natelson van de gecondenseerde materie en afgestudeerde student Dan Ward hebben een manier gevonden om een ​​optische antenne te maken van twee gouden uiteinden, gescheiden door een opening op nanoschaal die licht van een laser verzamelt. De tips "grijpen het licht en concentreren het in een kleine ruimte, "Natelson zei, wat leidt tot een duizendvoudige toename van de lichtintensiteit in de opening.

Het verkrijgen van een nauwkeurige meting van het effect is een eerste, zei Natelson, die de resultaten rapporteerde in de online editie van het tijdschrift van vandaag? Natuur Nanotechnologie . Hij verwacht dat de ontdekking nuttig zal zijn bij de ontwikkeling van instrumenten voor optica en voor chemische en biologische detectie, zelfs op de schaal van één molecuul, met gevolgen voor de industriële veiligheid, defensie en binnenlandse veiligheid.

Het artikel van Natelson, Ward en hun collega's in Duitsland en Spanje vertellen over de techniek van het team, waarbij laserlicht in de opening tussen een paar gouden tips minder dan een nanometer van elkaar schijnt - ongeveer honderdduizendste van de breedte van een mensenhaar.

"Je kunt negeren dat je autoantenne uit atomen is opgebouwd; het werkt gewoon, " zei Natelson, een Rice hoogleraar natuurkunde en astronomie, en ook elektrotechniek en computertechniek. "Maar als je kleine stukjes metaal heel dicht bij elkaar hebt, je moet je zorgen maken over alle details. De velden worden groot, de situatie wordt ingewikkeld en je bent echt beperkt. We hebben een aantal fysica kunnen gebruiken die alleen van pas komt als de dingen heel dicht bij elkaar liggen om erachter te komen wat er aan de hand is."

De sleutel tot het meten van lichtversterking bleek iets anders te meten, in het bijzonder de elektrische stroom die tussen de gouden tips vloeit.

Door de nanotips zo dicht bij elkaar te plaatsen, kan de lading via kwantumtunneling stromen terwijl de elektronen van de ene naar de andere kant worden geduwd. De onderzoekers konden elektronen in beweging krijgen door ze op lage frequenties te duwen met een spanning, in een zeer beheersbare, meetbare manier. Ze kunnen ze ook laten stromen door met de laser te schijnen, die de lading op de zeer hoge frequentie van het licht duwt. In staat zijn om de twee processen te vergelijken, is een standaard waarmee de lichtversterking kan worden bepaald, zei Natelson. Hun Duitse en Spaanse co-auteurs hebben bijgedragen aan de noodzakelijke theoretische onderbouwing van de analyse.

De versterking is een plasmonisch effect, zei Natelson. plasmonen, die kan worden opgewekt door licht, zijn oscillerende elektronen in metalen structuren die werken als rimpelingen in een poel. "Je hebt een metalen structuur, je schijnt er licht op, het licht laat de elektronen in deze metalen structuur rondklotsen, " zei hij. "Je kunt de elektronen in het metaal zien als een onsamendrukbare vloeistof, als water in een badkuip. En als je ze heen en weer laat klotsen, je krijgt elektrische velden.

"Aan de oppervlakken van het metaal, deze velden kunnen erg groot zijn - veel groter dan die van de oorspronkelijke straling, " zei hij. "Wat moeilijk te meten was, was hoe groot. We wisten niet hoeveel de twee partijen op en neer klotsten - en dat is precies waar we om geven."

Door gelijktijdig de laagfrequente elektrisch aangedreven en de hoogfrequente optisch aangedreven stromen tussen de uiteinden te meten, "We kunnen de spanning ontdekken die heen en weer gaat bij de echt hoge frequenties die kenmerkend zijn voor licht, " hij zei.

Natelson zei dat het zelfgebouwde apparaat van zijn lab, die elektronica en optica op nanoschaal combineert, is vrij ongebruikelijk. "Er zijn veel mensen die optica doen. Er zijn veel mensen die elektrische metingen op nanoschaal doen, " zei hij. "Er zijn nog steeds niet al te veel mensen die de twee combineren."

De aangepaste installatie gaf de Rice-onderzoekers een zekere mate van controle over thermische en elektrische eigenschappen die andere onderzoekers hebben gedwarsboomd. De tips worden gekoeld tot 80 Kelvin, ongeveer -315 graden Fahrenheit, en zijn elektrisch geïsoleerd van hun siliciumbases, het op afstand houden van verdwaalde spanningen die de resultaten zouden kunnen vertekenen.

"De reden dat we deze verbeterde velden bestuderen, is niet alleen omdat ze er zijn, "Zei Natelson. "Als je het lokale veld met een factor 1 kunt verbeteren, 000, er zijn veel dingen die je kunt doen op het gebied van sensoren en niet-lineaire optica. Alles wat je een greep geeft op wat er op deze kleine schalen gebeurt, is erg handig.

"Dit is een van die zeldzame, gelukkige gevallen waarin je daadwerkelijk informatie kunt krijgen - zeer lokale informatie - over precies iets waar je om geeft."