Licht gedraagt ​​zich op nogal tamme en voorspelbare manieren bij interactie met alledaagse voorwerpen - het reist in rechte lijnen, terugkaatst wanneer het glanzende oppervlakken raakt, en wordt verbogen door lenzen. Maar er gebeuren rare en wonderbaarlijke dingen wanneer licht interageert met zeer kleine objecten. nanodeeltjes, bijvoorbeeld, die verzamelingen atomen zijn zo klein als een virus, kan fungeren als mini-antennes, en kleine schijven van silicium kunnen vreemde 'modi' van licht veroorzaken die de schijven onzichtbaar maken.

De afgelopen jaren is er een nieuw gebied van optica ontstaan ​​om deze vreemde verschijnselen te bestuderen. "Nanofotonica, een tak van optica die zich bezighoudt met licht op nanoschaaldimensies, is de afgelopen tien jaar een populair onderzoeksonderwerp geworden, " merkt Arseniy Kuznetsov van het A*STAR Data Storage Institute op. "Het belooft veel voor verschillende nieuwe toepassingen, variërend van snelle informatieoverdracht en holografische weergavetechnologieën tot bioimaging en genoomsequencing." Kuznetsovs team leidt de ontwikkelingen in een deelgebied van nanofotonica, die zou kunnen zorgen voor een brede praktische toepassing ervan.

Licht op kleine schalen

traditioneel, nanophotonics heeft zich gericht op kleine metalen structuren zoals gouden en zilveren nanodeeltjes. Het oscillerende elektrische veld van licht zorgt ervoor dat de vrije elektronen in metalen collectief oscilleren. Bij bepaalde deeltjesgroottes dit kan aanleiding geven tot een effect dat bekend staat als oppervlakteplasmonresonantie. Resonantie is een algemeen fenomeen waarbij een systeem een ​​veel grotere respons vertoont bij bepaalde frequenties, bijvoorbeeld een operazanger kan een wijnglas doen barsten door te zingen op de toonhoogte waarop het resoneert. Oppervlakteplasmonresonantie verwijst naar het specifieke resonantie-effect dat wordt geproduceerd door oppervlakteplasmonen, die een verzameling geladen oscillaties zijn - waarvan de studie bekend staat als nanoplasmonica. Hoewel een heel nieuw onderzoeksgebied, nanoplasmonische effecten worden al eeuwenlang uitgebuit - glas-in-loodramen in middeleeuwse kathedralen danken hun kleur aan oppervlakteplasmonen die worden geëxciteerd in metalen nanodeeltjes die in het glas zijn ingebed.

Ondanks de hoge verwachtingen van nanoplasmonica op gebieden als informatietechnologie, veiligheid, energie, dataopslag met hoge dichtheid en de levenswetenschappen, het heeft tot relatief weinig praktische toepassingen geleid. Een reden voor deze teleurstellende uitkomst is dat metalen nanostructuren veel licht verliezen door absorptie. "Een beter begrip van deze resonanties heeft geleid tot een algemeen begrip van de belangrijkste nadelen die verband houden met onvermijdelijke hoge verliezen in resonerende metalen nanostructuren, " merkt Kuznetsov op. Bovendien, metalen die gewoonlijk worden gebruikt voor plasmonica, zoals zilver en goud, zijn onverenigbaar met standaardmethoden voor het vervaardigen van halfgeleidercomponenten, waardoor ze moeilijk te produceren zijn.

Een stille revolutie

Maar nu is er op dit gebied een stille revolutie gaande. De focus verschuift van metalen naar elektrisch isolerende en gedeeltelijk isolerende materialen die bekend staan ​​als diëlektrica en halfgeleiders, die 'optisch dicht' zijn, zodat het licht er aanzienlijk langzamer in reist dan in de lucht. Voorbeelden van dergelijke materialen zijn de halfgeleiders silicium, germanium en galliumarsenide, en titaandioxide.

"De verschuiving van metalen naar diëlektrica is al aan de gang, ", zegt Kuznetsov. "Veel toonaangevende teams in plasmonics zijn al begonnen te werken met resonante diëlektrische nanostructuren."

Hoewel nog in de kinderschoenen, de transitie heeft veel voordelen opgeleverd. "Na de demonstraties van resonanties in diëlektrische nanodeeltjes in 2012, het veld ging los, ", zegt Kuznetsov. "Er zijn nu veel voordelen gevonden ten opzichte van conventionele plasmonica."

De weg wijzen

Kuznetsov en zijn team bij A*STAR lopen voorop in deze revolutie. Ze hanteren een drieledige aanpak. "Vaak, we genereren een theoretisch concept, toon het in simulaties en demonstreer het vervolgens experimenteel. Echter, soms vindt het omgekeerde proces plaats - onverwachte experimentele waarnemingen leiden tot theorieontwikkeling om hun fysiek begrip te verschaffen, " legt Kuznetsov uit.

De teamleden hebben een aantal opmerkelijke primeurs gerealiseerd in dit jonge veld. Natuurkundige Boris Luk'yanchuk begon de bal aan het rollen te brengen in 2010 toen hij en collega's in Duitsland een baanbrekend artikel publiceerden waaruit bleek dat, theoretisch, silicium nanodeeltjes met afmetingen variërend van 100 tot 200 nanometer kunnen zowel sterke elektrische als magnetische resonanties hebben bij frequenties van zichtbaar licht - een alternatief met weinig verlies voor plasmonische nanostructuren. In een volgend blad, Luk'yanchuk, samen met onderzoekers in Australië, stelde nieuwe metaal-diëlektrische hybride structuren voor waar licht zich zou kunnen voortplanten als gevolg van interacties van magnetische momenten, wat niet mogelijk is in ketens van metaaldeeltjes. Eindelijk in 2015, de A*STAR-groep toonde aan dat soortgelijke soorten optisch geïnduceerde interacties van magnetische momenten bestaan ​​in ketens van siliciumdeeltjes. "Dergelijke magnetische interacties van siliciumdeeltjes kunnen veel beter presteren dan golfgeleiders op basis van plasmonics en conventionele siliciumfotonica, ' zegt Luk'yanchuk.

Luk'yanchuk, Kuznetsov en hun team hebben deze resonanties experimenteel aangetoond in silicium nanodeeltjes. Het team was ook de eerste die experimenteel unieke gerichte lichtverstrooiing door silicium nanodeeltjes liet zien. wat hun veelbelovende nanoantenne-eigenschappen aantoont. En de onderzoekers waren de eersten die experimenteel een grote verbetering van de elektrische en magnetische velden van licht lieten zien in de nabijheid van diëlektrische antennes gemaakt van twee silicium nanodeeltjes die zeer dicht bij elkaar zijn geplaatst.

Volgens Google Scholar, de artikelen die deze bevindingen beschrijven, zijn meer dan 1 geciteerd 000 keer, weerspiegelt de enorme impact die het werk van het team in het veld heeft gehad. Hun reputatie op dit gebied is zo groot dat een recente recensie die ze schreven over het opkomende gebied werd gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Wetenschap .

In een onderzoek uit 2015 het team, samen met onderzoekers uit Australië en Duitsland, hebben experimenteel een zeer ongebruikelijk optisch effect aangetoond in schijven van silicium op nanoschaal - stralingspatronen die geen licht uitzenden of verstrooien . Dergelijke stralingsmodi zouden kunnen worden gebruikt om kleine lasers op nanoschaal te produceren. Het team heeft ook laten zien hoe arrays van dergelijke siliciumschijven de fase en amplitude van licht nauwkeurig kunnen regelen. dwingen om te buigen, focus, of maak holografische afbeeldingen met hoge resolutie.

in 2016, het Institute of Physics Singapore heeft Luk'yanchuk de World Scientific Physics Research Award en de gouden medaille toegekend voor zijn uitstekende bijdragen aan natuurkundig onderzoek in het land. Datzelfde jaar, Kuznetsov werd gekozen als de ontvanger van de AF Harvey Engineering Research Prize van het Institution of Engineering and Technology voor "zijn uitstekende bijdragen op het gebied van lasers en opto-elektronica en zijn baanbrekende onderzoek naar een nieuwe tak van nanofotonica:optisch resonante diëlektrische nanostructuren en diëlektrische nanoantennes."

Een gouden toekomst

Het team is enthousiast over het potentieel van diëlektrische nanostructuren. "We hopen dat resonante diëlektrische nanostructuren eindelijk aanleiding zullen geven tot real-life toepassingen van resonante nanofotonica, ", zegt Kuznetsov. Ze verwachten dat veel technologische gebieden sterk kunnen worden beïnvloed door deze ontwikkeling.

"Driedimensionale holografische displays voor smartphones en virtual en augmented reality-apparaten met hoge resolutie zouden kunnen worden ontwikkeld op basis van diëlektrische nanoantennes. Substraten die resonante diëlektrische nanodeeltjes bevatten, zouden bio-imaging en genoomsequencing efficiënter en sneller kunnen maken. resonante diëlektrische nanodeeltjescomponenten binnenin, ", zegt Kuznetsov. "Sommige van deze nieuwe en verbazingwekkende toepassingen kunnen in de komende 5 tot 8 jaar werkelijkheid worden, " voorspelt hij. Hoewel licht voorspelbaar kan zijn op grote schalen, de toekomst ziet er allesbehalve tam uit voor deze opkomende technologie.