Microscopische kanalen van gouden nanodeeltjes hebben het vermogen om elektromagnetische energie uit te zenden die begint als licht en zich voortplant via "donkere plasmonen, " volgens onderzoekers van Rice University.

Een nieuw artikel in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters laat zien hoe zelfs ongeordende verzamelingen nanodeeltjes in arrays zo dun als 150 nanometer kunnen worden omgezet in golfgeleiders en signalen kunnen verzenden die een orde van grootte beter zijn dan eerdere experimenten konden bereiken. Efficiënte energieoverdracht op micrometerschaal kan opto-elektronische apparaten aanzienlijk verbeteren.

Het rijstlab van Stephan Link, een assistent-professor scheikunde en elektrische en computertechniek, heeft een manier ontwikkeld om fijne lijntjes van gouden nanodeeltjes op glas te "printen". Deze lijnen van nanodeeltjes kunnen een signaal over vele microns van het ene nanodeeltje naar het andere overbrengen, veel verder dan eerdere pogingen en ongeveer gelijk aan de resultaten die werden gezien met gouden nanodraden.

Complexe golfgeleidergeometrieën zijn veel gemakkelijker te vervaardigen met nanodeeltjesketens, zei Link. Hij en zijn team gebruikten een elektronenstraal om minuscule kanaaltjes in een polymeer op een glassubstraat te snijden om de nanodeeltjeslijnen hun vorm te geven. De gouden nanodeeltjes werden via capillaire krachten in de kanalen afgezet. Toen de rest van het polymeer en de verdwaalde nanodeeltjes waren weggespoeld, de lijnen bleven, met de deeltjes slechts enkele nanometers uit elkaar.

Plasmonen zijn golven van elektronen die bij verstoring over het oppervlak van een metaal bewegen, zoals water in een vijver. De storing kan worden veroorzaakt door een externe elektromagnetische bron, zoals licht. Aangrenzende nanodeeltjes koppelen met elkaar waar hun elektromagnetische velden op elkaar inwerken en een signaal van de ene naar de andere laten gaan.

Link zei dat donkere plasmonen kunnen worden gedefinieerd als die zonder netto dipoolmoment, waardoor ze niet kunnen koppelen aan het licht. "Maar deze modi zijn niet helemaal donker, vooral in de aanwezigheid van wanorde, " zei hij. "Zelfs voor de subradiant modes, er is een kleine dipooloscillatie.

"Ons argument is dat als je kunt koppelen aan deze onderstralende modi, het verstrooiingsverlies is kleiner en de voortplanting van plasmon wordt over langere afstanden ondersteund, "Zei Link. "Daarom, we verbeteren het energietransport over veel grotere afstanden dan wat eerder is gedaan met metaaldeeltjesketens."

Om te zien hoe ver, Link en zijn team bedekten de 15 micron lange lijnen met een fluorescerende kleurstof en gebruikten een fotobleekmethode die in zijn laboratorium was ontwikkeld om te meten hoe ver de plasmonen, opgewonden door een laser aan het ene uiteinde, propageren. "De demping van de plasmonvoortplanting is exponentieel, "zei hij. "Bij vier micron, je hebt een derde van de initiële intensiteitswaarde.

"Hoewel deze voortplantingsafstand kort is in vergelijking met traditionele optische golfgeleiders, in geminiaturiseerde circuits hoeft men alleen kleine lengteschalen te bestrijken. Het is misschien mogelijk om uiteindelijk een versterker op het systeem toe te passen die de voortplantingsafstand zou verlengen, "Zei Link. "In termen van wat mensen dachten dat mogelijk was met nanodeeltjesketens, wat we hebben gedaan is al een aanzienlijke verbetering."

Link zei dat is aangetoond dat zilveren nanodraden een plasmongolf beter dragen dan goud, tot 15 micron, ongeveer een zesde van de breedte van een mensenhaar. "We weten dat als we zilveren nanodeeltjes proberen, we kunnen veel langer propageren en hopelijk doen we dat in meer complexe structuren, " zei hij. "Misschien kunnen we deze nanodeeltjesgolfgeleiders gebruiken om verbinding te maken met andere componenten zoals nanodraden in configuraties die anders niet mogelijk zouden zijn."