(PhysOrg.com) -- Onderzoekers hebben aangetoond hoe arrays van kleine "plasmonische nanoantennes" licht nauwkeurig kunnen manipuleren op nieuwe manieren die een reeks optische innovaties mogelijk zouden kunnen maken, zoals krachtigere microscopen, telecommunicatie en computers.

De onderzoekers van Purdue University gebruikten de nanoantennes om een ​​eigenschap van licht, de fase genaamd, abrupt te veranderen. Licht wordt doorgelaten als golven analoog aan golven van water, die hoge en lage punten hebben. De fase definieert deze hoge en lage lichtpunten.

"Door de fase abrupt te veranderen, kunnen we drastisch veranderen hoe licht zich voortplant, en dat opent de mogelijkheid van vele potentiële toepassingen, " zei Vladimir Shalaev, wetenschappelijk directeur van nanofotonica bij Purdue's Birck Nanotechnology Center en een vooraanstaande professor in elektrische en computertechnologie.

De bevindingen worden beschreven in een paper die donderdag (22 december) online in het tijdschrift wordt gepubliceerd Wetenschap .

Het nieuwe werk bij Purdue breidt de bevindingen uit van onderzoekers onder leiding van Federico Capasso, de Robert L. Wallace Professor of Applied Physics en Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering aan de Harvard School of Engineering and Applied Sciences. In dat werk, beschreven in een Science-paper van oktober, Harvard-onderzoekers hebben de wet van Snell aangepast, een lang bestaande formule die wordt gebruikt om te beschrijven hoe licht reflecteert en breekt, of bochten, terwijl ze van het ene materiaal in het andere overgaan.

"Wat ze aangaven was revolutionair, ' zei Shalaev.

Tot nu, De wet van Snell houdt in dat wanneer licht van het ene materiaal naar het andere gaat, er geen abrupte faseveranderingen zijn langs het grensvlak tussen de materialen. Harvard-onderzoekers, echter, experimenten uitgevoerd die aantoonden dat de fase van licht en de voortplantingsrichting drastisch kunnen worden veranderd door gebruik te maken van nieuwe soorten structuren die metamaterialen worden genoemd, die in dit geval waren gebaseerd op een reeks antennes.

De Purdu-onderzoekers gingen nog een stap verder, het creëren van arrays van nanoantennes en het veranderen van de fase en voortplantingsrichting van licht over een breed bereik van nabij-infrarood licht. Het artikel is geschreven door promovendi Xingjie Ni en Naresh K. Emani, hoofdonderzoeker Alexander V. Kildishev, assistent-professor Alexandra Boltasseva, en Shalaev.

De golflengtegrootte die door de antennes in het Purdue-experiment wordt gemanipuleerd, varieert van 1 tot 1,9 micron.

"Het nabij-infrarood, specifiek een golflengte van 1,5 micron, is essentieel voor telecommunicatie, Shalaev zei. "Informatie wordt via optische vezels verzonden met behulp van deze golflengte, wat deze innovatie potentieel praktisch maakt voor vooruitgang in de telecommunicatie."

De Harvard-onderzoekers voorspelden hoe ze de wet van Snell konden wijzigen en demonstreerden het principe op één golflengte.

"We hebben de toepassingen van het Harvard-team uitgebreid naar het nabij-infrarood, wat belangrijk is, en we hebben ook laten zien dat het geen enkel frequentie-effect is, het is een zeer breedbandeffect, "Zei Shalaev. "Het hebben van een breedbandeffect biedt potentieel een scala aan technologische toepassingen."

De innovatie kan technologieën opleveren voor het sturen en vormen van laserstralen voor militaire en communicatietoepassingen, nanocircuits voor computers die licht gebruiken om informatie te verwerken, en nieuwe soorten krachtige lenzen voor microscopen.

Cruciaal voor de vooruitgang is het vermogen om licht te veranderen zodat het "abnormaal" gedrag vertoont:met name, het buigt op manieren die niet mogelijk zijn met conventionele materialen door de breking radicaal te veranderen, een proces dat optreedt als elektromagnetische golven, inclusief licht, buigen bij het overgaan van het ene materiaal in het andere.

Wetenschappers meten deze buiging van straling door zijn "brekingsindex". Breking veroorzaakt het gebogen-stok-in-water-effect, die optreedt wanneer een stok die in een glas water is geplaatst, verbogen lijkt van buitenaf. Elk materiaal heeft zijn eigen brekingsindex, die beschrijft hoeveel licht in dat specifieke materiaal zal buigen. Alle natuurlijke materialen, zoals glas, lucht en water, positieve brekingsindices hebben.

Echter, de nanoantenne-arrays kunnen ervoor zorgen dat licht in een groot aantal hoeken buigt, inclusief negatieve brekingshoeken.

"Belangrijk, zo'n dramatische afwijking van de conventionele wet van Snell die reflectie en breking regelt, treedt op wanneer licht door structuren gaat die in feite veel dunner zijn dan de breedte van de golflengten van het licht, wat niet mogelijk is met natuurlijke materialen, " zei Shalaev. "Ook, niet alleen het buigende effect, breking, maar ook de reflectie van licht kan drastisch worden gewijzigd door de antenne-arrays op de interface, zoals de experimenten hebben aangetoond."

De nanoantennes zijn V-vormige structuren gemaakt van goud en gevormd bovenop een siliciumlaag. Ze zijn een voorbeeld van metamaterialen, die typisch zogenaamde plasmonische structuren bevatten die wolken van elektronen geleiden die plasmonen worden genoemd. De antennes zelf hebben een breedte van 40 nanometer, of miljardsten van een meter, en onderzoekers hebben aangetoond dat ze in staat zijn om licht door een ultradunne "plasmonische nanoantennelaag" te sturen, ongeveer 50 keer kleiner dan de golflengte van het licht dat het doorlaat.

"This ultrathin layer of plasmonic nanoantennas makes the phase of light change strongly and abruptly, causing light to change its propagation direction, as required by the momentum conservation for light passing through the interface between materials, " Shalaev said.