Plasmoner i en åben boks skaber miniaturelaser

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har udviklet den første miniaturelaser, hvor lyset ledes langs gulvet i en åben metallisk rende. Laseren kunne fungere som en enhed i nanoskala til at registrere små mængder af forurenende stoffer og andre kemikalier i miljøet, eller detektere overfladebindingen af ​​biomolekyler til medicinsk diagnostik.

Wenqi Zhu fra NIST og University of Maryland, sammen med NIST-fysikerne Henri Lezec og Amit Agrawal, beskrev deres arbejde i en nylig udgave af Science Advances. Værket er udført i samarbejde med Nanjing University i Kina og University of Michigan.

Udviklingen af ​​den nye laser er afhængig af interaktionen mellem fotoner - lyspartikler - og havet af elektroner, der flyder langs overfladen af ​​et metal. Interaktioner mellem fotoner og krusninger i elektronhavet giver en speciel type lysbølge, kaldet en overflade plasmon polariton (SPP), som er tæt begrænset til kun at bevæge sig langs metallets overflade. Denne indeslutning gør SPP'erne meget følsomme over for alt, der ligger på metaloverfladen.

Som et første skridt mod at bygge miniaturelaseren, holdet lavede af sølv et lille rendeformet åbent hulrum, hvori SPP'er kan give genlyd. Hulrummet er en flad overflade flankeret af små, spejllignende sidevægge, der reflekterer overfladebølgerne frem og tilbage.

Gennem omhyggelig fremstilling, resonanshulrummet havde to nøgleegenskaber:alle dets indre overflader var glatte på atomskala, varierende i tykkelse med højst et par nanometer, og dets sidevægge var vinkelrette i forhold til det flade hulrumsgulv. Designet, gjort muligt ved at støbe sølv ved hjælp af en præcist mønstret siliciumskabelon, gjorde det muligt for SPP'erne at hoppe frem og tilbage over hulrummet hundredvis af gange uden at miste væsentlig energi, som en guitarstreng, der opretholder en ren tone i lang tid. Den ejendom, kendt som høj kvalitetsfaktor, eller høj Q, er afgørende for at konstruere en laser. Q målt af holdet er den højeste til dato for nogen synlig lysresonator, der kun bruger SPP'er.

Den høje Q gjorde det også muligt for hulrummet at fungere som et ekstremt selektivt filter for SPP'er - kun dem med bølgelængder, der faldt inden for et smalt bånd, kunne give resonans i hulrummet. Det smalle område er vigtigt, fordi det gør det muligt for resonanshulrummet (selv før det blev en del af en laser) at blive en meget følsom detektor for små ændringer i dets omgivelser - tilstedeværelsen af ​​partikler eller tilføjelsen af ​​en tynd film til hulrummets gulv . Sådanne ændringer flytter midten af ​​båndet af bølgelængder, der vil give resonans i hulrummet.

"Ved at opnå en snæver resonans, skiftet i bølgelængde er tydeligt, og det åbne hulrum kan fungere som en udsøgt følsom detektor, " sagde Lezec.

Efter at have demonstreret, at hulrummet kunne bruges som en sensor, holdet arbejdede derefter på at omdanne deres design til en laser. De gjorde det ved at tilføje en ultratynd belægning til hulrummet, der forstærkede intensiteten af ​​SPP'et, der rejser gennem strukturen. Dette er den første laser i nanoskala, der nogensinde er konstrueret ved at manipulere en SPP, der rejser på en enkelt flad metaloverflade, Lezec bemærkede.

Simuleringer tyder på, at SPP-laseren kan blive en endnu mere følsom detektor for biologiske, kemiske og miljømæssige materialer end blot at bruge resonanshulrummet. Laserens design gør det også nemt at integrere i et fotonisk kredsløb og kan også muliggøre nye undersøgelser af kvanteplasmonik, stofs interaktion på nanoskala med lysets kvanteegenskaber.