Een multidisciplinair team van het Centre d'Elaboration de Matériaux et d'Etudes Structurales (CEMES, CNRS), in samenwerking met natuurkundigen in Singapore en chemici in Bristol (VK), hebben aangetoond dat kristallijne gouden nanodeeltjes uitgelijnd en vervolgens gefuseerd tot lange ketens kunnen worden gebruikt om lichtenergie te beperken tot op nanometerschaal, terwijl de voortplanting over lange afstanden mogelijk is. Hun werk werd online gepubliceerd op de website van Natuurmaterialen op 26 oktober.

Licht kan worden gebruikt om informatie door te geven. Deze woning is, bijvoorbeeld, gebruikt in glasvezel, en biedt een interessant alternatief voor micro-elektronica. Het gebruik van licht verhoogt de transmissiesnelheid en vermindert het energieverlies dat wordt veroorzaakt door verwarming wanneer een elektrisch signaal wordt gebruikt. Echter, een aantal obstakels moeten nog worden overwonnen, in het bijzonder die van miniaturisatie:optische vezel maakt het moeilijk om licht te beperken tot volumes van minder dan een micrometer (10 ^-6 meter).

Elektronen bewegen vrij door metalen en beginnen soms collectief te oscilleren op hun oppervlak onder invloed van licht, zoals in edele metalen zoals goud en zilver. De eigenschappen van dergelijke collectieve oscillaties, bekend als plasmonen, hebben in de afgelopen twintig jaar de weg geëffend voor subgolflengte (d.w.z. minder dan één micrometer) opsluiting van lichtenergie. Door de energie die door fotonen wordt gedragen door te geven aan bewegende elektronen, is het mogelijk om informatie te transporteren in structuren die smaller zijn dan optische vezels. Om nog grotere opsluiting te bereiken, plasmonics richt zich nu op de optische eigenschappen van kristallijne nanodeeltjes. Het gladde kristallijne oppervlak voorkomt verstoring van de elektronenoscillaties en vermindert energieverliezen. Het benutten van de eigenschappen van dergelijke nanodeeltjes moet het daarom mogelijk maken om tegelijkertijd opsluitingen in het nanometergebied en het langeafstandstransport van informatie te realiseren.

In dit onderzoek, toonden de onderzoekers aan dat wanneer gouden nanodeeltjes met een diameter van tien nanometer in een ketting worden opgesteld, de plasmonen die ze dragen genereren specifieke oscillaties die bevorderlijk zijn voor zeer beperkte voortplanting. Echter, bij elke passage tussen twee nanodeeltjes gaat energie verloren. Hoewel deze eigenschap kan worden benut voor bepaalde toepassingen die sterk gelokaliseerde warmtebronnen vereisen, vooral in de geneeskunde, het is niet bevorderlijk voor de voortplanting op lange afstand.

De onderzoekers versmolten daarom de nanokralen zorgvuldig door er een hoogenergetische elektronenstraal op te richten, waardoor een continu kristallijn netwerk wordt gevormd. Ze zagen dat het energieverlies werd verminderd en dat de plasmonen vrij konden oscilleren over zeer lange afstanden, terwijl ze binnen de diameter van de nanodeeltjes blijven. Binnen dit kralenkoord, die slechts tien nanometer breed is, informatie kan tot 4000 nanometer reizen.

Een andere uitdaging die in deze studie met succes is aangegaan, was het in kaart brengen, met uitzonderlijke precisie, de elektronenoscillaties waargenomen aan het oppervlak van de nanodeeltjesketen. De verschillende soorten beweging van de plasmonen werden gekarakteriseerd met behulp van een microscopietechniek genaamd elektronen-energieverliesspectroscopie (EELS), wiens zeer fijne ruimtelijke en spectrale resolutie de onderzoekers in staat stelde een nieuw theoretisch model van plasmongedrag voor te stellen. Simulaties op basis van dit model reproduceren de experimenten met ongekende nauwkeurigheid.

Dit werk, die het resultaat was van een langdurige samenwerking met teams in Bristol en Singapore, kan leiden tot extreme miniaturisering van lichtgeleiding en de weg vrijmaken voor toepassingen voor sensoren, bijvoorbeeld in fotovoltaïsche, en in de telecommunicatie.