Voor jaren, wetenschappers hebben lang geworsteld met de controle en manipulatie van licht, een al lang bestaande wetenschappelijke ambitie met grote implicaties voor de ontwikkeling van technologie. Met de groei in nanofotonica, wetenschappers maken sneller dan ooit winst door gebruik te maken van structuren met afmetingen die vergelijkbaar zijn met de golflengte van licht.

Wetenschappers van de Universiteit van New Mexico die het gebied van nanofotonica bestuderen, ontwikkelen nieuwe perspectieven die nog nooit eerder zijn gezien door hun onderzoek. Beurtelings, het begrip van deze theoretische concepten stelt natuurkundigen in staat om efficiëntere nanostructuren te creëren.

Het onderzoek, zegt universitair docent Alejandro Manjavacas, in de afdeling Natuur- en Sterrenkunde aan de Universiteit van New Mexico in een paper getiteld "Hybridization of Lattice Resonances, " onderzoekt hoe periodieke arrays van nanosferen of atomen interageren met licht. Deze systemen worden gemaakt door een eenheidscel periodiek te herhalen, net zoals een schaakbord wordt gemaakt door twee verschillend gekleurde vierkanten in een patroon te herhalen. Eerder, het grootste deel van het onderzoek richtte zich alleen op structuren met eenheidscellen gemaakt van een enkel element, alsof elk vierkant op het schaakbord een enkele kleur had. Hun onderzoek gaat verder dan dit, waardoor een willekeurig aantal kleuren mogelijk is, zolang ze maar in een herhalend patroon zijn gerangschikt.

"Terwijl het bijdraagt ​​aan het fundamentele begrip van een overvloed aan nieuwe fysieke verschijnselen, deze theoretische onderzoeksinspanning zal helpen begrijpen hoe licht interageert met objecten op nanoschaal en zal helpen de basis te leggen voor de ontwikkeling van nieuwe mechanismen om licht op nanoschaal te manipuleren, wat de sleutel is tot het realiseren van de volgende generatie nanofotonische toepassingen, " zegt Manjavacas in de onlangs gepubliceerde krant in ACS Nano , een toppublicatie op het gebied van nanofotonica.

Het overkoepelende doel van het onderzoek was het openen en bevorderen van nieuwe wegen in de plasmonica, een onderzoeksgebied dat zich richt op het begrijpen van de interactie tussen lichte en metalen nanostructuren, met als doel het ontwikkelen van nieuwe toepassingen in nanofotonica. Als onderdeel van dit werk, de wetenschappers ontwikkelden een krachtig model om te begrijpen hoe geordende arrays van nanostructuren interageren met licht. Dit model kan worden gebruikt om de optische respons te voorspellen van ensembles van nanodeeltjes met zeer gecompliceerde patronen, die kunnen worden benut om optische eigenschappen te ontwikkelen die nuttig zijn voor veel toepassingen:

"Bijvoorbeeld, deze systemen kunnen een veelzijdig platform vormen voor de ontwikkeling van compacte biosensoren die kunnen monitoren, live, de niveaus van verschillende stoffen die relevant zijn voor de gezondheidszorg, "zei Manjavacas. "Verder, ze kunnen ook worden gebruikt om de prestaties van zonnecellen te verbeteren en om efficiëntere fotodetectoren te ontwerpen."

De details

Als onderdeel van het onderzoek, Manjavacas en zijn team samengesteld door Sebastian Baur, een bezoekende afgestudeerde student uit Duitsland, en Stephen Sanders, een afgestudeerde student natuurkunde en sterrenkunde, onderzocht de optische eigenschappen van periodieke arrays van plasmonische nanodeeltjes met eenheidscellen met meerdere deeltjes. specifiek, ze probeerden te begrijpen hoe de geometrie van complexe arrangementen van plasmonische nanostructuren kan worden gebruikt om hun optische reacties te beheersen.

Ze bestudeerden arrays bestaande uit tweedeeltjeseenheidscellen, waarin de interactie tussen de verschillende deeltjes kan worden geannuleerd of gemaximaliseerd door hun relatieve positie binnen de eenheidscel te regelen. Ze vonden ook arrays waarvan de reactie ofwel invariant op de polarisatie van het invallende licht kan worden gemaakt, ofwel er sterk afhankelijk van kan worden gemaakt. Beide voorbeelden laten zien hoe hun complexe geometrieën kunnen worden gebruikt om controle uit te oefenen over de respons van de arrays.

Manjavacas en zijn team verkenden ook systemen met eenheidscellen met drie en vier deeltjes, als een schaakbord met drie of vier verschillende soorten gekleurde vierkanten, en toonden aan dat ze kunnen worden ontworpen om resonanties te ondersteunen met complexe responspatronen waarin verschillende groepen deeltjes in de eenheidscel selectief kunnen worden geëxciteerd.

"De resultaten van dit werk dienen om ons begrip van periodieke arrays van nanostructuren te vergroten en een methodologie te bieden voor het ontwerpen van periodieke structuren met technische eigenschappen voor toepassingen in nanofotonica, "zei hij. "In het bijzonder, wij laten zien dat door de relatieve positie van de deeltjes in de eenheidscel te regelen, het is mogelijk om de optische respons van het systeem volledig te manipuleren."