Neem gouden spiralen ter grootte van een dubbeltje... en verklein ze ongeveer zes miljoen keer. Het resultaat is 's werelds kleinste continue spiralen:"nano-spiralen" met unieke optische eigenschappen die bijna onmogelijk te vervalsen zouden zijn als ze aan identiteitskaarten werden toegevoegd, valuta en andere belangrijke voorwerpen.

Studenten en docenten van de Vanderbilt University hebben deze kleine Archimedes-spiralen gefabriceerd en vervolgens ultrasnelle lasers gebruikt in Vanderbilt en het Pacific Northwest National Laboratory in Richland, Washington, om hun optische eigenschappen te karakteriseren. De resultaten worden gerapporteerd in een paper die online is gepubliceerd door de Journal of Nanophotonics op 21 mei.

"Ze zijn zeker kleiner dan alle spiralen die we in de wetenschappelijke literatuur hebben gevonden, " zei Roderick Davidson II, de Vanderbilt-doctoraatsstudent die erachter kwam hoe ze hun optisch gedrag konden bestuderen. De spiralen zijn ontworpen en gemaakt bij Vanderbilt door een andere doctoraatsstudent, Jed Ziegler, nu in het Naval Research Laboratory.

De meeste andere onderzoekers die de opmerkelijke eigenschappen van microscopisch kleine spiralen hebben bestudeerd, hebben dit gedaan door discrete nanodeeltjes in een spiraalpatroon te rangschikken:vergelijkbaar met spiralen die met een reeks inktpunten op een stuk papier zijn getekend. Daarentegen, de nieuwe nanospiralen hebben stevige armen en zijn veel kleiner:een vierkante array met 100 nanospiralen aan een kant is minder dan een honderdste millimeter breed.

Wanneer deze spiralen worden verkleind tot afmetingen die kleiner zijn dan de golflengte van zichtbaar licht, ze ontwikkelen ongebruikelijke optische eigenschappen. Bijvoorbeeld, wanneer ze worden verlicht met infrarood laserlicht, ze zenden zichtbaar blauw licht uit. Een aantal kristallen produceren dit effect, frequentieverdubbeling of harmonische generatie genoemd, in verschillende gradaties. De sterkste frequentieverdubbelaar die eerder bekend was, is het synthetische kristal-bèta-bariumboraat, maar de nanospiralen produceren vier keer meer blauw licht per volume-eenheid.

Wanneer infrarood laserlicht de kleine spiralen raakt, het wordt geabsorbeerd door elektronen in de gouden armen. De armen zijn zo dun dat de elektronen gedwongen worden langs de spiraal te bewegen. Elektronen die naar het centrum worden gedreven, absorberen voldoende energie zodat sommige van hen blauw licht uitzenden met de dubbele frequentie van het binnenkomende infraroodlicht.

"Dit is vergelijkbaar met wat er gebeurt met een vioolsnaar wanneer deze krachtig wordt gebogen, " zei Stevenson hoogleraar natuurkunde Richard Haglund, die het onderzoek leidde. "Als je een vioolsnaar heel licht buigt, produceert hij een enkele toon. Maar, als je het krachtig buigt, het begint ook hogere harmonischen te produceren, of boventonen. De elektronen in het midden van de spiralen worden behoorlijk krachtig aangedreven door het elektrische veld van de laser. Het blauwe licht is precies een octaaf hoger dan het infrarood - de tweede harmonische."

De nanospiralen hebben ook een onderscheidende reactie op gepolariseerd laserlicht. Lineair gepolariseerd licht, zoals die geproduceerd door een polaroidfilter, trilt in een enkel vlak. Wanneer getroffen door zo'n lichtstraal, de hoeveelheid blauw licht die de nanospiralen uitzenden varieert naarmate de hoek van het polarisatievlak 360 graden wordt gedraaid.

Het effect is nog dramatischer wanneer circulair gepolariseerd laserlicht wordt gebruikt. In circulair gepolariseerd licht, het polarisatievlak draait met de klok mee of tegen de klok in. Wanneer linkshandige nanospiralen worden verlicht met rechtsom gepolariseerd licht, de hoeveelheid geproduceerd blauw licht wordt gemaximaliseerd omdat de polarisatie de elektronen naar het midden van de spiraal duwt. Tegen de klok in gepolariseerd licht, anderzijds, produceert een minimale hoeveelheid blauw licht omdat de polarisatie de neiging heeft om de elektronen naar buiten te duwen, zodat de golven van rondom de nanospiraal destructief interfereren.

De combinatie van de unieke eigenschappen van hun frequentieverdubbeling en respons op gepolariseerd licht geven de nanospiralen een unieke, aanpasbare handtekening die uiterst moeilijk te vervalsen is, aldus de onderzoekers.

Tot dusver, Davidson heeft geëxperimenteerd met kleine arrays van gouden nanospiralen op een glazen substraat gemaakt met behulp van scanning-elektronenbundellithografie. Zilver en platina nanospiralen kunnen op dezelfde manier worden gemaakt. Vanwege de kleine hoeveelheden metaal die daadwerkelijk worden gebruikt, ze kunnen goedkoop worden gemaakt van edele metalen, die bestand zijn tegen chemische degradatie. Ze kunnen ook op plastic worden gemaakt, papier en een aantal andere substraten.

"Als nanospiralen waren ingebed in een creditcard of identificatiekaart, ze kunnen worden gedetecteerd door een apparaat dat vergelijkbaar is met een barcodelezer, ’ zei Haglund.

Het frequentieverdubbelingseffect is sterk genoeg om arrays die te klein zijn om met het blote oog te zien, gemakkelijk gedetecteerd kunnen worden. Dat betekent dat ze op een geheime locatie op een kaart kunnen worden geplaatst, wat een extra barrière zou vormen voor vervalsers.

De onderzoekers beweren ook dat gecodeerde nanospiraal-arrays kunnen worden ingekapseld en in explosieven worden geplaatst, chemicaliën en drugs - elke stof die iemand nauwlettend wil volgen - en vervolgens gedetecteerd met behulp van een optisch uitleesapparaat.