(Phys.org)—Metalen nanostructuren kunnen fungeren als kleine antennes om licht te regelen, omdat ze licht op de kleinste schalen kunnen focussen en geleiden. De optische eigenschappen van deze antennes zijn sterk afhankelijk van hun grootte en vorm, waardoor het moeilijk is om te voorspellen welke vorm moet worden gekozen voor een gewenst optisch effect zonder te vertrouwen op complexe theoretische berekeningen. Mohsen Rahmani en medewerkers van het A*STAR Data Storage Institute, Singapore, en Imperial College Londen, VK, hebben nu een methode ontwikkeld die het mogelijk maakt om deze nano-antennes praktisch en betrouwbaar te ontwerpen.

Hun methode is gebaseerd op nieuw begrip van de optische resonantie-eigenschappen van enkele gestandaardiseerde bouwstenen van de antennes die ontstaan ​​uit plasmonen - de collectieve bewegingen van elektronen aan hun oppervlak. "Ons nieuwe begrip legt aspecten van het ontwerp van apparaten vast die veel verder gaan dan bekende optische interferentiemechanismen en ons begrip van het plasmonische resonantiespectrum aanzienlijk verbetert. Dit zou nieuwe toepassingen kunnen opleveren, " legt Rahmani uit.

Enkele van de meest bruikbare eigenschappen van plasmonische antennes ontstaan ​​wanneer de metalen nanostructuren dicht bij elkaar worden gebracht. Dit leidt tot interferentie-effecten nabij hun oppervlak die scherpe spectrale kenmerken veroorzaken, bekend als Fano-resonanties. Elke verandering in de buurt van de nanostructuren, zoals de introductie van enkele moleculen of temperatuurschommelingen, kunnen de gevoelige Fano-resonanties beïnvloeden. Deze wijzigingen kunnen worden gedetecteerd en gebruikt voor detectietoepassingen.

Typisch, onderzoekers gebruiken iteratief computermodellen van nanostructuren om het ontwerp van plasmonische antennes te optimaliseren. Rahmani en collega's vereenvoudigden de aanpak door gebruik te maken van gestandaardiseerde subeenheden van nanodeeltjes, plasmonische oligomeren genaamd (zie afbeelding). Bijvoorbeeld, ze deconstrueerden een kruisvormige structuur, bestaande uit vijf stippen, in twee verschillende subeenheden:een met drie stippen op een lijn en een met vier buitenste stippen. Vervolgens bepaalden ze de plasmonische resonantie van een hele reeks door simpelweg die subeenheden te combineren.

Door de eigenschappen van de oligomeren te modelleren en hun resultaten te vergelijken met metingen van optische spectra, Rahmani observeerde een systematische afhankelijkheid van de optische resonanties van individuele subeenheden. De bevindingen van het team suggereren dat de optische eigenschappen van verschillende plasmonische antennes eenvoudig kunnen worden ontworpen met slechts een paar basisbouwstenen.

"De mogelijke combinaties zijn bijna eindeloos en deze structuren kunnen veel toepassingen vinden, ", zegt Rahmani. Deze variëren van lasers op nanoschaal en optische schakelaars voor telecommunicatie tot biosensing. "We gaan deze oligomeren nu ontwikkelen als nanosensing-platforms voor het detecteren van de adsorptie van chemische moleculen en eiwitmonolagen."