Fotonica-onderzoekers van Rice University hebben een nieuwe nanodeeltjesversterker onthuld die infraroodlicht kan genereren en de output van één licht kan verhogen door energie van een tweede licht op te vangen en om te zetten.

de innovatie, het laatste nieuws van Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP), wordt online beschreven in een artikel in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters . Het apparaat werkt net als een laser, maar hoewel lasers een vaste uitgangsfrequentie hebben, de output van Rice's "optische parametrische versterker" (OPA) op nanoschaal kan worden afgestemd over een reeks frequenties die een deel van het infraroodspectrum omvat.

"Afstembare infrarood OPA-lichtbronnen kosten tegenwoordig ongeveer $ 100, 000 en nemen behoorlijk wat ruimte in beslag op een tafelblad of laboratoriumbank, " zei hoofdauteur Yu Zhang, een voormalige Rice afgestudeerde student aan LANP. "Wat we hebben aangetoond, in principe, is een enkel nanodeeltje dat dezelfde functie heeft en ongeveer 400 nanometer in diameter is."

Ter vergelijking, dat is ongeveer 15 keer kleiner dan een rode bloedcel, en Zhang zei dat het verkleinen van een infraroodlichtbron tot zo'n kleine schaal deuren zou kunnen openen voor nieuwe soorten chemische detectie en moleculaire beeldvorming die niet mogelijk zijn met de huidige ultramoderne infraroodspectroscopie op nanoschaal.

Zhang, die zijn Ph.D. van Rice in 2014 en werkt tegenwoordig bij Lam Research in Fremont, Californië, genoemde parametrische versterking wordt al tientallen jaren gebruikt in de micro-elektronica. Het gaat om twee ingangssignalen, een zwakke en een sterke, en twee bijbehorende uitgangen. De uitgangen zijn ook sterk en zwak, maar de energie van de krachtigere ingang - bekend als de "pomp" - wordt gebruikt om het zwakke inkomende "signaal" te versterken en het de krachtigere uitgang te maken. Het lage vermogen - bekend als de "idler" - bevat een restfractie van de pompenergie.

"Optische parametrische versterkers werken met licht in plaats van elektriciteit, " zei LANP-directeur Naomi Halas, de hoofdwetenschapper van de nieuwe studie en de directeur van Rice's Smalley-Curl Institute. "In OPA's, een sterk pomplicht versterkt een zwak 'zaad'-signaal dramatisch en genereert tegelijkertijd een leeglooplicht. In ons geval, de pomp- en signaalfrequenties zijn zichtbaar, en de spanrol is infrarood."

Terwijl de pomplaser in het apparaat van Rice een vaste golflengte heeft, zowel het signaal als de idler-frequenties zijn afstembaar.

"Mensen hebben eerder infraroodlasers op nanoschaal gedemonstreerd, maar we denken dat dit de eerste afstembare infrarood lichtbron op nanoschaal is, ' zei Halas.

De doorbraak is de laatste voor Halas' lab, de onderzoeksafdeling van Rice's Smalley-Curl Institute dat gespecialiseerd is in de studie van door licht geactiveerde nanodeeltjes. Bijvoorbeeld, sommige metalen nanodeeltjes zetten licht om in plasmonen, golven van elektronen die als een vloeistof over het oppervlak van een deeltje stromen. In tientallen onderzoeken in de afgelopen twee decennia, LANP-onderzoekers hebben de basisfysica van plasmonica onderzocht en aangetoond dat plasmonische interacties kunnen worden gebruikt voor uiteenlopende toepassingen, zoals medische diagnostiek, kankerbehandeling, het verzamelen van zonne-energie en optische computers.

Een van de specialiteiten van LANP is het ontwerpen van multifunctionele plasmonische nanodeeltjes die op meer dan één manier met licht interageren. Zhang zei dat het OPA-project op nanoschaal vereist dat het team van LANP een enkel deeltje maakt dat tegelijkertijd kan resoneren met drie frequenties van licht.

"Er zijn intrinsieke inefficiënties in het OPA-proces, maar we konden dit goedmaken door een oppervlakteplasmon te ontwerpen met drievoudige resonanties bij de pomp, signaal- en rustfrequenties, "Zei Zhang. "De strategie stelde ons in staat om afstembare emissie over een reeks infraroodfrequenties aan te tonen - een belangrijke potentiële stap voor verdere ontwikkeling van de technologie."

Zhang zei dat voormalig postdoctoraal onderzoeker van Rice-fysica Alejandro Manjavacas - nu aan de Universiteit van New Mexico - de nodige berekeningen heeft uitgevoerd om het drievoudig resonante nanodeeltje te ontwerpen.

Halas zei dat het project ook de multidisciplinaire kracht van LANP liet zien. "In nanofotonica, toegepast en fundamenteel onderzoek gaan hand in hand, omdat een diepgaand begrip van de fundamentele fysica ons in staat stelt het ontwerp van deeltjes te optimaliseren. Daarom is een van de belangrijkste missies van LANP om theoretici en experimentatoren samen te brengen, en dit project is een goed voorbeeld van hoe dat loont."