Målrettet oprettelse og kontrol af fotoner:takket være et nyt design til optiske antenner

Atomer og molekyler kan laves til at udsende fotoner. Imidlertid, uden ekstern indgriben, denne proces er ineffektiv og uorienteret. Hvis det var muligt at påvirke processen med dannelse af foton med hensyn til effektivitet og emissionsretning, nye tekniske muligheder ville være mulige, herunder lille, multifunktionelle lyspixel, der kan bruges til at bygge tredimensionelle skærme eller pålidelige enkeltfotonkilder til kvantecomputere eller optiske mikroskoper til kortlægning af individuelle molekyler.

"Optiske antenner" i nanometerstørrelse er en velkendt fremgangsmåde. De er i stand til at sende fotoner i en bestemt retning med høj effektivitet. Ideen går tilbage til nobelpristager Richard P. Feynman, der forestillede sig nanoskalaantenner under en tale på California Institute of Technology i 1959.

Feynman var langt forud for sin tid, men han inspirerede til en hurtig udvikling inden for nanoteknologi, som gør det muligt at bygge antenner til synligt lys i dag. Dimensioner og strukturelle detaljer for sådanne antenner kan styres præcist i en størrelse på omkring 250 nanometer.

Underskuddene på eksisterende lysantenner

Formen på disse optiske antenner er tidligere blevet inspireret af etablerede modeller fra radiokommunikation og radioteknologi, som normalt er fremstillet af specielt formede metaltråde og metalstangarrays til bølgelængder i centimeterområdet. Det er muligt at konstruere antenner til lysbølger ved hjælp af metal -nanoroder for at påvirke dannelsen og udbredelsen af ​​fotoner, men analogien mellem radiobølger og lysbølger er begrænset.

Mens makroskopiske radioantenner har en højfrekvent generator forbundet til antennen via kabel, forbindelsen på nanometer skalaen for en lysbølgelængde skal være kontaktløs. Men atomer og molekyler, der fungerer som fotonkilder, har ikke forbindelseskabler for at tilslutte dem til en optisk antenne.

Det er denne store forskel, kombineret med en række andre udfordringer forårsaget af den høje lysfrekvens, der har gjort det hidtil svært at producere og efterfølgende kontrollere fotoner med optiske antenner på en tilfredsstillende måde.

Fysikere fra Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg i Bayern, Tyskland, har nu løst dette problem og etableret et sæt regler for optimerede optiske antenner, som blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

De nye regler kan resultere i antenner til lys, der muliggør præcis kontrol af fotonemission og efterfølgende udbredelse, i det mindste teoretisk, ifølge Thorsten Feichtner, en forsker ved JMUs Institut for Fysik i professor Bert Hechts team.

Princippet bag de nye antenner

"Ideen bag dette er baseret på princippet om lighed, "forklarer Würzburg -fysikeren." Det nye i vores forskning er, at strømmen af ​​de frie elektroner i antennen skal opfylde to ligheder på samme tid. For det første, det nuværende mønster i antennen skal ligne feltlinjerne i umiddelbar nærhed af et lysemitterende atom eller molekyle. For det andet, det nuværende mønster skal også passe bedst muligt til det homogene elektriske felt i en plan bølge, så hver foton kan nå en fjern modtager. "

De nye lysantenner bygget ved hjælp af disse nye regler udtrækker langt flere fotoner fra en sender end tidligere antennetyper afledt af radioteknologi.