Wetenschappers van Rice University hebben een robuuste nieuwe methode onthuld voor het rangschikken van metalen nanodeeltjes in geometrische patronen die kunnen fungeren als optische processors die binnenkomende lichtsignalen omzetten in uitvoer van een andere kleur. De doorbraak van een team van theoretische en toegepaste natuurkundigen en ingenieurs van Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) wordt deze week beschreven in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Het team van Rice gebruikte de methode om een ​​optisch apparaat te maken waarin binnenkomend licht direct met licht kan worden geregeld via een proces dat bekend staat als 'vier-golfmenging'. Het mengen met vier golven is uitgebreid bestudeerd, maar de schijfpatroonmethode van Rice is de eerste die materialen kan produceren die zijn afgestemd op het mengen van vier golven met een breed scala aan gekleurde in- en uitgangen.

"Veelzijdigheid is een van de voordelen van dit proces, " zei co-auteur van de studie Naomi Halas, directeur van LANP en Rice's Stanley C. Moore Professor in Electrical and Computer Engineering en een professor in biomedische technologie, scheikunde, natuurkunde en sterrenkunde. "Het stelt ons in staat om kleuren op een zeer algemene manier te mengen. Dat betekent dat we niet alleen bundels van twee verschillende kleuren kunnen insturen en een derde kleur eruit kunnen halen, maar we kunnen de arrangementen verfijnen om apparaten te maken die zijn afgestemd op het accepteren of produceren van een breed spectrum aan kleuren."

De informatieverwerking die plaatsvindt in de hedendaagse computers, smartphones en tablets is elektronisch. Elk van de miljarden transistors in een computerchip gebruikt elektrische inputs om in te werken op de elektrische signalen die er doorheen gaan en deze te wijzigen. Door informatie met licht in plaats van elektriciteit te verwerken, kunnen computers sneller en energiezuiniger worden. maar het bouwen van een optische computer wordt gecompliceerd door de kwantumregels waaraan licht moet voldoen.

"In de meeste gevallen de ene lichtstraal zal geen interactie hebben met de andere, " zei LANP theoretisch fysicus Peter Nordlander, een co-auteur van de nieuwe studie. "Bijvoorbeeld, als je met een zaklamp op een muur schijnt en je kruist die straal met de straal van een tweede zaklamp, het zal niet uitmaken. Het licht dat uit de eerste zaklamp komt, zal er doorheen gaan, onafhankelijk van het licht van de tweede.

"Dit verandert als het licht reist in een 'niet-lineair medium, '" zei hij. "De elektromagnetische eigenschappen van een niet-lineair medium zijn zodanig dat het licht van de ene straal een interactie aangaat met een andere. Dus, als je de twee zaklampen door een niet-lineair medium laat schijnen, de intensiteit van de straal van de eerste zaklamp wordt evenredig verminderd met de intensiteit van de tweede straal."

De patronen van metalen schijven die LANP-wetenschappers hebben gemaakt voor de PNAS studie zijn een soort niet-lineaire media. Het team gebruikte elektronenstraallithografie om puckvormige gouden schijven te etsen die op een transparant oppervlak werden geplaatst voor optische tests. De diameter van elke schijf was ongeveer een duizendste van de breedte van een mensenhaar. Elk was ontworpen om de energie van een bepaalde lichtfrequentie te oogsten; door een tiental schijven in een dicht bij elkaar liggend patroon te plaatsen, het team was in staat om de niet-lineaire eigenschappen van het systeem te verbeteren door intense elektrische velden te creëren.

"Ons systeem maakt gebruik van een bepaald plasmonisch effect, Fano-resonantie genaamd, om de efficiëntie van het relatief zwakke niet-lineaire effect dat ten grondslag ligt aan viergolfmenging te vergroten, "Zei Nordlander. "Het resultaat is een verhoging van de intensiteit van de derde lichtkleur die het apparaat produceert."

Afgestudeerde student en co-auteur Yu-Rong Zhen berekende de precieze opstelling van 12 schijven die nodig zou zijn om twee coherente Fano-resonanties in een enkel apparaat te produceren, en afgestudeerde student en hoofdco-auteur Yu Zhang creëerde het apparaat dat de vier-golfmenging produceerde - het eerste materiaal dat ooit is gemaakt.

"Het apparaat dat Zhang heeft gemaakt voor het mengen met vier golven is het meest efficiënte dat tot nu toe voor dat doel is geproduceerd, maar de waarde van dit onderzoek gaat verder dan het ontwerp voor dit specifieke apparaat, " zei Halas, die onlangs werd benoemd tot lid van de National Academy of Sciences vanwege haar baanbrekende onderzoek naar nanofotonica. "De methoden die worden gebruikt om dit apparaat te maken, kunnen worden toegepast op de productie van een breed scala aan niet-lineaire media, elk met op maat gemaakte optische eigenschappen."