Het beheersen van de interacties tussen licht en materie is al lang een ambitie van wetenschappers die tal van technologieën willen ontwikkelen en bevorderen die van fundamenteel belang zijn voor de samenleving. Met de opkomst van nanotechnologie in de afgelopen jaren, de manipulatie van licht op nanoschaal is beide geworden, een veelbelovende weg om deze vooruitgang voort te zetten, evenals een unieke uitdaging vanwege nieuw gedrag dat optreedt wanneer de afmetingen van structuren vergelijkbaar worden met de golflengte van licht.

Wetenschappers van de Theoretical Nanophotonics Group van het Department of Physics and Astronomy van de University of New Mexico hebben hiertoe een opwindende nieuwe vooruitgang geboekt, in een baanbrekende onderzoeksinspanning getiteld "Analyse van de grenzen van het nabije veld geproduceerd door nanodeeltjesarrays, " onlangs gepubliceerd in het tijdschrift, ACS Nano , een toptijdschrift op het gebied van nanotechnologie. De groep, onder leiding van assistent-professor Alejandro Manjavacas, onderzocht hoe de optische respons van periodieke reeksen van metalen nanostructuren kan worden gemanipuleerd om sterke elektrische velden in hun omgeving te produceren.

De arrays die ze bestudeerden, zijn samengesteld uit zilveren nanodeeltjes, kleine bolletjes zilver die honderden keren kleiner zijn dan de dikte van een mensenhaar, geplaatst in een herhalend patroon, hoewel hun resultaten ook van toepassing zijn op nanostructuren die van andere materialen zijn gemaakt. Vanwege de sterke interacties tussen elk van de nanosferen, deze systemen kunnen voor verschillende toepassingen worden gebruikt, variërend van levendig, kleurenafdrukken met hoge resolutie tot biosensing die een revolutie teweeg kunnen brengen in de gezondheidszorg.

"Dit nieuwe werk zal helpen om de vele toepassingen van nanostructuurarrays vooruit te helpen door fundamentele inzichten te verschaffen in hun gedrag, ", zegt Manjavacas. "De verbeteringen in het nabije veld die we voorspellen, kunnen een doorbraak betekenen voor technologieën zoals ultragevoelige biosensing."

Manjavacas en zijn team, bestaande uit Lauren Zundel en Stephen Sanders, beide afgestudeerde studenten van het departement Natuur- en Sterrenkunde, de optische respons van deze arrays gemodelleerd, spannende nieuwe resultaten te vinden. Wanneer periodieke arrays van nanostructuren worden verlicht met licht, elk van de deeltjes produceert een sterke respons, die, beurtelings, resulteert in enorm collectief gedrag als alle deeltjes met elkaar kunnen interageren. Dit gebeurt bij bepaalde golflengten van invallend licht, die worden bepaald door de interdeeltjesafstand van de array, en kan resulteren in elektrische velden van duizenden, of zelfs tienduizenden, keer dat het licht op de array scheen.

De sterkte van deze veldverbetering hangt af van de geometrische eigenschappen van de array, zoals de afstand tussen de nanobolletjes, evenals de grootte van de bollen zelf. Volledig contra-intuïtief, Manjavacas en zijn groep ontdekten dat het verminderen van de dichtheid van nanodeeltjes in de array, ofwel door de afstand tussen elk van hen te vergroten, of door hun grootte te verkleinen, produceert veldverbeteringen die niet alleen groter zijn, maar strekken zich verder van de array uit.

"Het was echt opwindend om te ontdekken dat de sleutel tot deze enorme veldverbeteringen eigenlijk ligt in het kleiner en verder uit elkaar maken van de deeltjes, ’ zegt Zundel over de vondst.

"De reden hiervoor is dat de interacties tussen de nanodeeltjes, en dus de collectieve reactie, wordt versterkt, ", aldus Sanders.