Licht is notoir snel. De snelheid is cruciaal voor een snelle informatie-uitwisseling, maar zoals licht door materialen ritst, zijn kansen op interactie en opwindende atomen en moleculen kunnen erg klein worden. Als wetenschappers lichte deeltjes kunnen afremmen, of fotonen, het zou de deur openen naar tal van nieuwe technologische toepassingen.

Nutsvoorzieningen, in een paper gepubliceerd op 17 augustus, in Natuur Nanotechnologie , Stanford-wetenschappers demonstreren een nieuwe benadering van langzaam licht aanzienlijk, net zoals een echokamer geluid vasthoudt, en om het naar believen te sturen. Onderzoekers in het lab van Jennifer Dionne, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek aan Stanford, gestructureerde ultradunne siliciumchips in staven op nanoschaal om licht resonant op te vangen en later vrij te geven of om te leiden. Deze "high-quality-factor" of "high-Q" resonatoren zouden kunnen leiden tot nieuwe manieren om licht te manipuleren en te gebruiken, inclusief nieuwe toepassingen voor quantum computing, virtual reality en augmented reality; op licht gebaseerde wifi; en zelfs de detectie van virussen zoals SARS-CoV-2.

"We proberen in wezen licht op te sluiten in een kleine doos die het licht nog steeds uit veel verschillende richtingen laat komen en gaan, " zei postdoctoraal fellow Mark Lawrence, die tevens hoofdauteur van het artikel is. "Het is gemakkelijk om licht te vangen in een doos met vele kanten, maar niet zo gemakkelijk als de zijkanten transparant zijn - zoals het geval is bij veel op silicium gebaseerde toepassingen."

Maken en vervaardigen

Voordat ze licht kunnen manipuleren, de resonatoren moeten worden gefabriceerd, en dat brengt een aantal uitdagingen met zich mee.

Een centraal onderdeel van het apparaat is een extreem dunne laag silicium, die licht zeer efficiënt opvangt en een lage absorptie heeft in het nabij-infrarood, het spectrum van licht dat de wetenschappers willen beheersen. Het silicium rust bovenop een wafel van transparant materiaal (saffier, in dit geval) waarin de onderzoekers een elektronenmicroscoop "pen" richten om hun nanoantennepatroon te etsen. Het patroon moet zo soepel mogelijk worden getekend, aangezien deze antennes als muren dienen in de echokamer-analogie, en onvolkomenheden remmen het vermogen om licht op te vangen.

"High-Q-resonanties vereisen het creëren van extreem gladde zijwanden die het licht niet laten weglekken, " zei Dionne, die ook Senior Associate Vice Provost van Research Platforms/Shared Facilities is. "Dat kan redelijk routinematig worden bereikt met grotere structuren op micronschaal, maar is zeer uitdagend met nanostructuren die licht meer verstrooien."

Patroonontwerp speelt een sleutelrol bij het creëren van de high-Q nanostructuren. "Op een computer, Ik kan ultravloeiende lijnen en blokken van elke willekeurige geometrie tekenen, maar de fabricage is beperkt, "zei Lawrence. "Uiteindelijk, we moesten een ontwerp vinden dat goede lichtopvangprestaties leverde, maar binnen het domein van de bestaande fabricagemethoden viel."

Hoge kwaliteit (factor)applicaties

Het sleutelen aan het ontwerp heeft geleid tot wat Dionne en Lawrence omschrijven als een belangrijke platformtechnologie met tal van praktische toepassingen.

De apparaten vertoonden zogenaamde kwaliteitsfactoren tot 2, 500, dat is twee ordes van grootte (of 100 keer) hoger dan alle vergelijkbare apparaten eerder hebben bereikt. Kwaliteitsfactoren zijn een maat die resonantiegedrag beschrijft, die in dit geval evenredig is met de levensduur van het licht. "Door kwaliteitsfactoren in de duizenden te behalen, we zitten al in een mooie goede positie van een aantal zeer opwindende technologische toepassingen, ' zei Dionne.

Bijvoorbeeld, biodetectie. Een enkel biomolecuul is zo klein dat het in wezen onzichtbaar is. Maar honderden of duizenden keren licht over een molecuul laten gaan, kan de kans op een detecteerbaar verstrooiingseffect aanzienlijk vergroten.

Dionne's lab werkt aan het toepassen van deze techniek voor het detecteren van COVID-19-antigenen - moleculen die een immuunrespons veroorzaken - en antilichamen - eiwitten die als reactie door het immuunsysteem worden geproduceerd. "Onze technologie zou een optische uitlezing geven zoals de artsen en clinici gewend zijn te zien, " zei Dionne. "Maar we hebben de mogelijkheid om een ​​enkel virus of zeer lage concentraties van een groot aantal antilichamen te detecteren vanwege de sterke interacties tussen licht en moleculen." tegelijkertijd verschillende soorten antilichamen detecteren.

Hoewel de pandemie haar interesse in virale detectie heeft aangewakkerd, Dionne is ook enthousiast over andere toepassingen, zoals LIDAR—of lichtdetectie en bereik, dat is op laser gebaseerde technologie voor afstandsmeting die vaak wordt gebruikt in zelfrijdende voertuigen - waar deze nieuwe technologie aan zou kunnen bijdragen. "Een paar jaar geleden had ik me de immense toepassingsruimten die dit werk zou raken, niet kunnen voorstellen, "zei Dionne. "Voor mij, dit project heeft het belang van fundamenteel onderzoek versterkt - je kunt niet altijd voorspellen waar fundamentele wetenschap naartoe gaat of waartoe het zal leiden, maar het kan cruciale oplossingen bieden voor toekomstige uitdagingen."

Deze innovatie kan ook nuttig zijn in de kwantumwetenschap. Bijvoorbeeld, het splitsen van fotonen om verstrengelde fotonen te creëren die op kwantumniveau verbonden blijven, zelfs als ze ver uit elkaar liggen, zou normaal gesproken grote optische experimenten op tafelblad vereisen met grote dure nauwkeurig gepolijste kristallen. ‘Als we dat kunnen, maar onze nanostructuren gebruiken om dat verstrengelde licht te controleren en vorm te geven, misschien zullen we op een dag een verstrengelingsgenerator hebben die je in je hand kunt houden, " zei Lawrence. "Met onze resultaten, we zijn verheugd om te kijken naar de nieuwe wetenschap die nu haalbaar is, maar ook proberen de grenzen van wat mogelijk is te verleggen."