Wanneer een eend over een vijver peddelt of een supersonisch vliegtuig door de lucht vliegt, het laat een kielzog achter op zijn pad. Wakes treden op wanneer iets sneller door een medium reist dan de golven die het creëert - in het geval van de eend watergolven, in het geval van het vliegtuig schokgolven, ook wel bekend als sonische knallen.

Wakes kunnen overal bestaan ​​waar golven zijn, zelfs als die golven licht zijn. Terwijl niets sneller reist dan de lichtsnelheid in een vacuüm, licht bevindt zich niet altijd in een vacuüm. Het is mogelijk dat iets sneller beweegt dan de fasesnelheid van het licht in een medium of materiaal en een zog genereert. Het bekendste voorbeeld hiervan is de Cherenkov-straling, ontwaken geproduceerd als elektrische ladingen sneller door vloeistoffen reizen dan de fasesnelheid van het licht, een gloeiend blauw kielzog uitzenden.

Voor de eerste keer, Onderzoekers van Harvard hebben soortgelijke kielzog van lichtachtige golven gecreëerd die op een metalen oppervlak bewegen, oppervlakteplasmonen genoemd, en aangetoond dat ze kunnen worden gecontroleerd en gestuurd. De vondst, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie , werd gemaakt in het laboratorium van Federico Capasso, de Robert L. Wallace Professor of Applied Physics en Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Science (SEAS).

"Het vermogen om licht te beheersen is krachtig, "zei Capasso. "Ons begrip van optica op macroschaal heeft geleid tot hologrammen, Google Glass en LED's, om maar een paar technologieën te noemen. Nano-optica is een belangrijk onderdeel van de toekomst van nanotechnologie en dit onderzoek bevordert ons vermogen om de kracht van licht op nanoschaal te beheersen en te benutten."

De creatie en controle van oppervlakteplasmonkielzog zou kunnen leiden tot nieuwe soorten plasmonische koppelingen en lenzen die tweedimensionale hologrammen kunnen creëren of licht op nanoschaal kunnen concentreren.

Oppervlakteplasmonen zijn beperkt tot het oppervlak van een metaal. Om er wakes door te creëren, Capasso's team ontwierp een sneller dan het licht lopende ladingsgolf langs een eendimensionaal metamateriaal, zoals een motorboot die over een meer snelt.

Het metamateriaal, een nanostructuur van geroteerde spleten geëtst in een gouden film, verandert de fase van de oppervlakteplasmonen die bij elke spleet worden gegenereerd ten opzichte van elkaar, het verhogen van de snelheid van de lopende golf. De nanostructuur werkt ook als het roer van de boot, waardoor de kielzog kan worden gestuurd door de snelheid van de lopende golf te regelen.

Het team ontdekte dat de invalshoek van het licht dat op het metamateriaal schijnt een extra mate van controle biedt en het gebruik van gepolariseerd licht kan zelfs de richting van het kielzog ten opzichte van de lopende golf omkeren, zoals een kielzog dat in de tegenovergestelde richting van een boot reist .

"In staat zijn om licht te beheersen en te manipuleren op schalen die veel kleiner zijn dan de golflengte van het licht is erg moeilijk, " zei Daniël Wintz, een hoofdauteur van de paper en afgestudeerde student in het Capasso-lab. "Het is belangrijk dat we deze wakes niet alleen hebben geobserveerd, maar ook meerdere manieren hebben gevonden om ze te controleren en te sturen."

De waarneming zelf was een uitdaging, omdat "oppervlakteplasmonen niet zichtbaar zijn voor het oog of camera's, " zei mede-hoofdauteur Antonio Ambrosio van SEAS en de Italiaanse Onderzoeksraad (CNR). "Om de wakes te bekijken, we gebruikten een experimentele techniek die plasmonen van het oppervlak dwingt, verzamelt ze via glasvezel en legt het beeld vast."

Dit werk zou een nieuwe proeftuin kunnen zijn voor zogfysica in verschillende disciplines. "Dit onderzoek richt zich op een bijzonder elegant en innovatief probleem in de natuurkunde dat verschillende fysieke fenomenen met elkaar verbindt, van waterkielzog tot sonische knallen, en Cherenkov-straling, " zei Patrice Genevet, een hoofdauteur, voorheen van SEAS, momenteel verbonden aan het Singapore Institute of Manufacturing Technology.