Een nieuw type "nanotweezer" dat in staat is om kleine objecten snel en nauwkeurig te positioneren en ze op hun plaats te bevriezen, kan verbeterde detectiemethoden op nanoschaal mogelijk maken en helpen bij het onderzoek om geavanceerde technologieën te produceren, zoals kwantumcomputers en displays met ultrahoge resolutie.

Het apparaat, gefabriceerd in het Birck Nanotechnology Center van de Purdue University, maakt gebruik van een cilindrische gouden "nanoantenne" met een diameter van 320 nanometer, of ongeveer 1/300ste van de breedte van een mensenhaar. De structuren concentreren en absorberen licht, resulterend in "plasmonische hotspots" en het mogelijk maken om objecten op nanometerschaal te manipuleren die in een vloeistof zijn gesuspendeerd.

"De voorgestelde aanpak maakt de onmiddellijke implementatie van een groot aantal opwindende toepassingen mogelijk, " zei Alexandra Boltasseva, universitair hoofddocent elektrotechniek en computertechniek.

De bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een paper die online verschijnt in Natuur Nanotechnologie Maandag (2 nov.).

Plasmonische apparaten maken gebruik van wolken van elektronen, oppervlakteplasmonen genaamd, om licht te manipuleren en te beheersen. Mogelijke toepassingen voor de nanopincet zijn onder meer sensoren op nanoschaal met verbeterde gevoeligheid en de studie van synthetische en natuurlijke nano-objecten, waaronder virussen en eiwitten; creatie van "nanoassemblages" voor plasmonische materialen die een groot aantal geavanceerde technologieën mogelijk zouden kunnen maken; ultra-resolutie "opto-fluïdische" schermen; en plasmonische schakelingen voor kwantumlogische eenheden.

De nanotweezer kan worden gebruikt om apparaten te maken die nanodiamantdeeltjes of andere lichtemitterende structuren op nanoschaal bevatten die kunnen worden gebruikt om de productie van enkele fotonen te verbeteren, werkpaarden van kwantuminformatieverwerking, die superieure computers zou kunnen brengen, cryptografie en communicatietechnologieën.

Conventionele computers gebruiken elektronen om informatie te verwerken. Echter, de prestaties kunnen aanzienlijk worden verhoogd door gebruik te maken van de unieke kwantumeigenschappen van elektronen en fotonen, zei Vladimir M. Shalaev, co-directeur van een nieuw Purdue Quantum Center, wetenschappelijk directeur van nanofotonica bij het Birck Nanotechnology Center en een vooraanstaande professor in elektrische en computertechnologie.

"Het is aangetoond dat het nanotweezer-systeem convectie veroorzaakt in vloeistof op aanvraag, wat resulteert in micrometer-per-seconde nanodeeltjestransport door gebruik te maken van een enkele plasmonische nanoantenne, wat tot nu toe voor onmogelijk werd gehouden, " zei promovendus Justus C. Ndukaife.

Eerder onderzoek had aangetoond dat convectie met een enkele plasmonische nanoantenne te zwak was om zo'n sterke convectie te induceren, minder dan 10 nanometer per seconde, die niet kunnen leiden tot een netto transport van zwevende deeltjes.

Echter, de Purdu-onderzoekers hebben deze beperking overwonnen, de snelheid van het deeltjestransport met 100 keer verhogen door een elektrisch wisselstroomveld toe te passen in combinatie met het verwarmen van de plasmonische nanoantenne met behulp van een laser om een ​​kracht te induceren die veel sterker is dan anders mogelijk zou zijn.

"De lokale intensiteit van het elektromagnetische veld is sterk verbeterd, meer dan 200 keer, bij de plasmonische hotspot, "Zei Ndukaife. "Het interessante van dit systeem is dat we niet alleen deeltjes kunnen vangen, maar ook nuttige taken kunnen uitvoeren omdat we deze hotspots hebben. Als ik een deeltje naar de hotspot breng dan kan ik metingen doen, en detectie is verbeterd omdat het zich in een hotspot bevindt."

De nieuwe hybride nanotweezer combineert een nabij-infrarood laserlicht en een elektrisch veld, induceren van een "elektrothermoplasmonische stroom."

"Vervolgens, zodra we het elektrische veld uitschakelen, houdt de laser de deeltjes op hun plaats, dus het kan in twee modi werken. Eerst, het snelle transport met wisselstroom, en dan schakel je het elektrische veld uit en gaat het in de plasmonische pincetmodus, " hij zei.

De Purdue-onderzoekers zijn de eersten die elektrothermoplasmonische stroming induceren met behulp van plasmonische structuren.

Het systeem maakt het ook mogelijk om patronen te creëren om afbeeldingen te projecteren, mogelijk voor schermen met ultrafijne resolutie.

De laser vangt de deeltjes op, waardoor ze nauwkeurig kunnen worden gepositioneerd. De techniek werd gedemonstreerd met polystyreendeeltjes.