En miniaturelaserlignende enhed til overfladeplasmoner

Forskere ved ETH Zürich har udviklet en miniatureapparat, der er i stand til at producere laserlignende stråler af en bestemt slags elektromagnetisk bølge kaldet en overfladeplasmon. Overfladeplasmoner kan fokuseres meget tættere end lysbølger, gør dem nyttige til applikationer såsom sensing.

Når lyset er begrænset mellem to delvist reflekterende spejle og forstærket af noget materiale imellem dem, den resulterende stråle kan være ekstremt lys og af en enkelt farve. Dette er laserprincippet, et værktøj, der bruges på alle områder af det moderne liv fra dvd -afspiller til operationsstuen.

Forskere ved ETH Zürich ledet af David Norris, professor ved Optical Materials Engineering Laboratory, og prof. Dimos Poulikakos, professor ved Laboratory of Thermodynamics in Emerging Technologies, har udviklet en miniatureanordning, der anvender det samme princip på såkaldte overfladeplasmoner. De elektromagnetiske bølger skabt af en sådan overfladeplasmonlaser, eller "spaser", kan fokuseres meget tættere end lys, hvilket gør dem interessante både til grundforskning og til tekniske applikationer såsom sensing.

Et lille hulrum til overfladeplasmoner

I modsætning til almindelige lysbølger, som formerer sig frit inde i et gennemsigtigt materiale, overfladeplasmoner består af elektromagnetiske bølger, der er tæt bundet til krusninger i fordelingen af ​​elektroner på overfladen af ​​et metal. De optiske virkninger af overfladeplasmoner kan beundres, for eksempel, i de farvede ruder i middelalderlige katedraler. Der, plasmoner, der genereres på metalliske nanopartikler inde i glasset af det indgående lys, giver vinduerne deres særegne og levende farver.

ETH -teamet har nu skabt det, der svarer til et laserhulrum til overfladeplasmoner ved at konstruere ekstremt glatte sølvoverflader, oven på hvilke to let buede sølvblokke, et par mikrometer i længden og kun en halv mikrometer i højden, er placeret. Disse mikroblokke fungerer som ækvivalent med spejlene i en laser. Mellem blokkene kan overfladeplasmoner hoppe frem og tilbage mange gange. Endelig, den forstærkning, der er nødvendig for at opnå en spaserstråle, tilvejebringes af kvantepunkter, der er placeret inde i hulrummet. Kvanteprikker er små halvlederpartikler, der opfører sig på samme måde som enkeltatomer (de kaldes undertiden "kunstige atomer") og kan fremstilles til at forstærke elektromagnetiske bølger med en ønsket frekvens.

Forskerne injicerede kvanteprikkerne i spaserhulen ved at opløse dem i en væske, som derefter blev trykt med nanometerpræcision på sølvoverfladen gennem en lille dyse, ved hjælp af en teknik udviklet i Poulikakos laboratorium. Når hulrummet og kvantepunkterne var på plads, overfladeplasmoner kunne injiceres i spaseren ved at skinne laserlys på kvantepunkterne.

Yderligere forstærkning mulig

"I vores arbejde har vi forsøgt at integrere de grundlæggende elementer i en spaser i en enkelt lille enhed", forklarer Jian Cui, en senior postdoktor i Norris gruppe og forfatter til undersøgelsen, der for nylig blev offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Videnskab fremskridt . Ud over spaserhulen og forstærkningsmaterialet, forskerne inkluderede også en forstærker, der bruger kvantepunkter til yderligere at øge lysstyrken af ​​overfladeplasmonstrålen, når den forlader hulrummet.

Forstærkeren har en trekantet form, sådan at plasmonerne ikke bare forstærkes, men fokuserede også på en spids i nanometerstørrelse. Der, de elektromagnetiske bølger er koncentreret i et volumen, der er meget mindre end den mindste størrelse, som almindeligt lys kunne fokuseres på. Denne funktion kan bruges i fremtiden, for eksempel, til den meget følsomme påvisning af biologiske molekyler.

Mod integrerede kredsløb med spasere

Nu hvor de har demonstreret, at deres miniature spaser virker, ETH -forskerne arbejder allerede på det næste logiske trin. "Vores fremstillingsmetoder er meget reproducerbare og alsidige, så vi kan nu tænke på at skabe integrerede kredsløb med flere elementer:spasere, forstærkere, sanseområder, og så videre", siger professor Norris.

Den nye tilgang har flere fordele i forhold til tidligere forsøg på at realisere spasere. Tidligere teknikker brugte en metallisk partikel som hulrummet, som ikke tillod ekstraktion af spaserstrålen. Proceduren udviklet på ETH anvender en plan film med integrerede spejle, hvilket giver forskerne større valgfrihed med hensyn til hulrummets størrelse og geometri, samtidig med at de også kunne studere overfladeplasmonerne direkte.