Door de unieke eigenschappen van licht te meten op de schaal van een enkel atoom, onderzoekers van Duke University en Imperial College, Londen, geloven dat ze de grenzen van het vermogen van metaal hebben gekarakteriseerd in apparaten die licht versterken.

Dit veld staat bekend als plasmonica omdat wetenschappers proberen te profiteren van plasmonen, elektronen die zijn "aangeslagen" door licht in een fenomeen dat elektromagnetische veldversterking produceert. De verbetering die door metalen op nanoschaal wordt bereikt, is aanzienlijk hoger dan die met enig ander materiaal kan worden bereikt.

Tot nu, onderzoekers zijn niet in staat geweest om plasmonische interacties te kwantificeren bij zeer kleine afmetingen, en zijn dus niet in staat geweest om de praktische beperkingen van lichtverbetering te kwantificeren. Deze nieuwe kennis geeft hen een routekaart voor het nauwkeurig beheersen van lichtverstrooiing die zou moeten helpen bij de ontwikkeling van apparaten, zoals medische sensoren en geïntegreerde fotonische communicatiecomponenten.

Typisch, plasmonische apparaten omvatten de interacties van elektronen tussen twee metaaldeeltjes die op een zeer korte afstand van elkaar zijn gescheiden. De afgelopen 40 jaar, wetenschappers hebben geprobeerd te achterhalen wat er gebeurt als deze deeltjes steeds dichterbij komen, op sub-nanometer afstanden.

"We waren in staat om de nauwkeurigheid van ons model aan te tonen door de optische verstrooiing van gouden nanodeeltjes die in wisselwerking staan ​​met een gouden film te bestuderen, " zei Cristian Ciracì, postdoctoraal onderzoeker aan de Duke's Pratt School of Engineering. "Onze resultaten bieden een sterke experimentele ondersteuning bij het stellen van een bovengrens voor de maximale veldverbetering die haalbaar is met plasmonische systemen."

De resultaten van de experimenten, die werden uitgevoerd in het laboratorium van David R. Smith, William Bevan, hoogleraar elektrische en computertechniek aan Duke, verschijnen op de cover van Wetenschap , 31 augustus 2012.

Ciracì en zijn team begonnen met een dunne gouden film bedekt met een ultradunne monolaag van organische moleculen, bezaaid met nauwkeurig regelbare koolstofketens. Nanometrische gouden bollen werden op de monolaag gedispergeerd. Essentieel voor het experiment was dat de afstand tussen de bollen en de film kon worden aangepast met een nauwkeurigheid van een enkel atoom. Op deze manier, de onderzoekers waren in staat om de beperkingen van traditionele benaderingen te overwinnen en een fotonische handtekening te verkrijgen met een resolutie op atoomniveau.

"Als je eenmaal de maximale veldverbetering kent, dan kun je de efficiëntie van elk plasmonsysteem berekenen, Smith zei. "Het stelt ons ook in staat om het plasmonische systeem te 'tunen' om exact voorspelbare verbeteringen te krijgen, nu we weten wat er op atomair niveau gebeurt. Controle over dit fenomeen heeft grote gevolgen voor niet-lineaire en kwantumoptica."

Het Duke-team werkte samen met collega's van het Imperial College, in het bijzonder Sir John Pendry, die al lang met Smith heeft samengewerkt.

"Dit artikel gaat verder dan nano en onderzoekt de wetenschap van licht op een schaal van enkele tienden van een nanometer, de diameter van een typisch atoom, " zei Pendry, natuurkundige en co-directeur van het Center for Plasmonics and Metamaterials aan het Imperial College. "We hopen deze vooruitgang te benutten om fotonen mogelijk te maken, normaal een paar honderd nanometer groot, om intens te interageren met atomen die duizend keer kleiner zijn."