Onderzoekers van de Universiteit van Ottawa hebben de tien jaar oude mythe ontkracht dat metalen nutteloos zijn in fotonica - de wetenschap en technologie van licht - met hun bevindingen, onlangs gepubliceerd in Natuur Communicatie, zal naar verwachting leiden tot veel toepassingen op het gebied van nanofotonica.

"We hebben het record voor de resonantiekwaliteitsfactor (Q-factor) van een periodieke reeks metalen nanodeeltjes met één orde van grootte verbroken in vergelijking met eerdere rapporten, " zei senior auteur Dr. Ksenia Dolgaleva, Canada Research Chair in Integrated Photonics (Tier 2) en universitair hoofddocent aan de School of Electrical Engineering and Computer Science (EECS) aan de Universiteit van Ottawa.

"Het is een bekend feit dat metalen zeer verliesgevend zijn als ze in wisselwerking staan ​​met licht, wat betekent dat ze de dissipatie van elektrische energie veroorzaken. De hoge verliezen brengen hun gebruik in optica en fotonica in gevaar. We demonstreerden ultrahoge Q-resonanties in een meta-oppervlak (een kunstmatig gestructureerd oppervlak) dat bestaat uit een reeks metalen nanodeeltjes ingebed in een vlak glazen substraat. Deze resonanties kunnen worden gebruikt voor efficiënte lichtmanipulatie en verbeterde licht-materie-interactie, laten zien dat metalen nuttig zijn in fotonica."

"In eerdere werken onderzoekers probeerden het nadelige effect van verliezen te verminderen om toegang te krijgen tot gunstige eigenschappen van metalen nanodeeltjes-arrays, " merkte de mede-hoofdauteur van de studie op, Md Saad Bin-Alam, een uOttawa-promovendus in EECS.

"Echter, hun pogingen leverden geen significante verbetering op in de kwaliteitsfactoren van de resonanties van de arrays. We implementeerden een combinatie van technieken in plaats van een enkele benadering en verkregen een orde-van-grootte verbetering die een metalen nanodeeltjes-array (metasurface) met een record-hoge kwaliteitsfactor demonstreert."

Volgens de onderzoekers is gestructureerde oppervlakken - ook wel meta-oppervlakken genoemd - hebben veelbelovende perspectieven in een verscheidenheid aan nanofotonische toepassingen die nooit kunnen worden verkend met traditionele natuurlijke bulkmaterialen. Sensoren, nanolasers, lichtbundelvorming en -sturing zijn slechts enkele voorbeelden van de vele toepassingen.

"Meta-oppervlakken gemaakt van nanodeeltjes van edele metalen - goud of zilver bijvoorbeeld - hebben een aantal unieke voordelen ten opzichte van niet-metalen nanodeeltjes. Ze kunnen licht opsluiten en beheersen in een nanoschaalvolume dat kleiner is dan een kwart van de golflengte van licht (minder dan 100 nm) , terwijl de breedte van een haar meer dan 10 000 nm is), " legde Md Saad Bin-Alam uit.

"Interessant, in tegenstelling tot niet-metalen nanodeeltjes, het licht is niet opgesloten of gevangen in de metalen nanodeeltjes, maar is geconcentreerd dicht bij hun oppervlak. Dit fenomeen wordt wetenschappelijk 'gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonanties (LSPR's)' genoemd. Deze functie geeft een grote superioriteit aan metalen nanodeeltjes in vergelijking met hun diëlektrische tegenhangers, omdat men dergelijke oppervlakteresonanties zou kunnen gebruiken om bio-organismen of moleculen in de geneeskunde of de chemie te detecteren. Ook, dergelijke oppervlakteresonanties zouden kunnen worden gebruikt als het feedbackmechanisme dat nodig is voor laserversterking. Op zo'n manier, men kan een kleine laser op nanoschaal realiseren die in veel toekomstige nanofotonische toepassingen kan worden toegepast, zoals lichtdetectie en -bereik (LiDAR) voor de detectie van objecten in het verre veld."

Volgens de onderzoekers is de efficiëntie van deze toepassingen hangt af van de resonerende Q-factoren.

"Helaas, vanwege het hoge 'absorptieve' en 'stralings' verlies in metalen nanodeeltjes, de LSPR's Q-factoren zijn erg laag, " zei co-hoofdauteur Dr. Orad Reshef, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Natuurkunde aan de Universiteit van Ottawa.

"Meer dan een decennium geleden, onderzoekers vonden een manier om het dissipatieve verlies te verminderen door de nanodeeltjes zorgvuldig in een rooster te rangschikken. Van dergelijke 'oppervlakterooster'-manipulatie, er ontstaat een nieuwe 'oppervlakteroosterresonantie (SLR)' met onderdrukte verliezen. Tot ons werk, de maximale Q-factoren gerapporteerd in spiegelreflexcamera's waren ongeveer een paar honderd. Hoewel dergelijke vroeg gerapporteerde SLR's beter waren dan de low-Q LSPR's, ze waren nog steeds niet erg indrukwekkend voor efficiënte toepassingen. Het leidde tot de mythe dat metalen niet bruikbaar zijn voor praktische toepassingen."

Een mythe die de groep tussen 2017 en 2020 tijdens haar werk aan het Advanced Research Complex van de University of Ottawa kon ontrafelen.

"Aanvankelijk, we voerden numerieke modellering uit van een meta-oppervlak van gouden nanodeeltjes en waren verrast om kwaliteitsfactoren van enkele duizenden te verkrijgen, " zei Md Saad Bin-Alam, die in de eerste plaats de meta-oppervlaktestructuur ontwierp.

"Deze waarde is nooit experimenteel gerapporteerd, en we besloten te analyseren waarom en een experimentele demonstratie van zo'n hoge Q te proberen. We observeerden een zeer hoge Q SLR met een waarde van bijna 2400, dat is minstens 10 keer groter dan de grootste spiegelreflexcamera's die Q eerder meldde."

Een ontdekking die hen deed beseffen dat er nog veel te leren valt over metalen.

"Ons onderzoek heeft aangetoond dat we nog lang niet alle verborgen mysteries van metalen (plasmonische) nanostructuren kennen, " concludeerde Dr. Orad Reshef, die het metasurface-monster heeft gefabriceerd. "Ons werk heeft een decennialange mythe ontkracht dat dergelijke structuren niet geschikt zijn voor echte optische toepassingen vanwege de hoge verliezen. We hebben aangetoond dat, door de nanostructuur goed te manipuleren en zorgvuldig een experiment uit te voeren, men kan het resultaat aanzienlijk verbeteren."

De krant, "Ultra-high-Q-resonanties in plasmonische meta-oppervlakken, " is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .