Onderzoekers van FOM-instituut AMOLF en Philips Research hebben een nieuw type antenne op nanoschaal ontworpen en gefabriceerd. De nieuwe antennes zien eruit als piramides, in plaats van de meer algemeen gebruikte rechte pilaren. De piramidevorm versterkt de interferentie tussen de magnetische en elektrische lichtvelden. Dit maakt de piramidevormige antenne in staat om de lichtuitstraling te verbeteren en verschillende kleuren licht in tegengestelde richtingen te stralen. Deze bevinding zou kunnen leiden tot efficiëntere lichtgevende apparaten (LED's). De onderzoekers publiceerden hun resultaten op 12 december 2014 online in Fysieke beoordelingsbrieven .

Individuele antennes

Een rechte antenne op nanoschaal zal voornamelijk reageren op het elektrische veld van licht. Dit betekent dat de effecten van het magnetische veld van licht, die de helft van de energie van licht bevat, worden buiten beschouwing gelaten. Lange tijd werd dit niet gezien als een probleem dat kon worden opgelost, omdat de meeste metalen die worden gebruikt om antennes te maken toch niet reageren op het magnetische veld van licht.

Dit is onlangs veranderd, vanwege de snelle ontwikkelingen in het metamateriaalonderzoek. Wat in het verleden onmogelijk leek - antennes maken die sterk reageren op het magnetische veld van licht - kan nu worden gedaan door metalen op nanoschaal te structureren.

Met deze ideeën in het achterhoofd, de onderzoekers van AMOLF en Philips bouwden de piramidevormige antenne. Door de hoogte en helling van de zijwanden van de antenne zorgvuldig te ontwerpen, de onderzoekers ontdekten dat de reactie op het magnetische veld van licht bijna net zo sterk is als de reactie op het elektrische veld van licht.

Antennes in een array

Na getuige te zijn geweest van de beschreven effecten in afzonderlijke antennes op nanoschaal, de onderzoekers gingen nog een stap verder en plaatsten meerdere piramidevormige antennes in een array. Het effect dat de antennes op elkaar hebben blijkt nogal opvallend te zijn. Bij bepaalde golflengten (kleuren) van licht, de antennes kunnen aan elkaar koppelen via het licht dat op het oppervlak van de array wordt verstrooid. Hierdoor is de groep antennes effectiever in het uitstralen van licht dan de som van de afzonderlijke antennes. In aanvulling, de antenne-array kan collectief op één golflengte werken, terwijl tegelijkertijd de antennes afzonderlijk op een andere golflengte werken. Dus, dezelfde reeks piramidevormige antennes kan licht van een bepaalde kleur naar boven stralen, en van een andere kleur naar beneden.

Toepassingen

De reeks piramidevormige antennes op nanoschaal heeft een groot potentieel voor de verbetering van LED's. Momenteel, veel LED's zijn ontworpen om licht in één richting uit te stralen, bijvoorbeeld alleen 'naar boven'. Dergelijke LED's worden bijvoorbeeld gebruikt in autoverlichting of spotlightverlichting. Helaas, het lichtgevende materiaal in een LED straalt licht uit met gelijke intensiteiten zowel naar boven als naar beneden. Aangezien alleen de 'opwaartse' emissie nuttig is, het naar beneden bewegende licht moet worden gerecycled door verschillende optische elementen toe te voegen, zoals spiegels, naar de led. Deze elementen maken de LED omvangrijk en minder efficiënt, aangezien er onvermijdelijk wat licht verloren gaat tijdens het recyclingproces.

Het integreren van de piramidevormige antennes in de LED heeft een groot potentieel om deze nadelen te overwinnen. De piramidevormige antennes kunnen selectief één kleur licht naar boven stralen. Als er een ongewenste kleur aanwezig is, dit kan naar beneden worden gestraald. Deze ontwikkeling zou de efficiëntie van enkele LED's aanzienlijk kunnen verbeteren en de integratie van LED's in gecombineerde lichtsystemen kunnen verbeteren.