Nanofotonikorkestret præsenterer:Vridning til lyset af nanopartikler

Fysikforskere ved University of Bath i Storbritannien opdager en ny fysisk effekt relateret til interaktionen mellem lys og snoede materialer - en effekt, der sandsynligvis vil få konsekvenser for nye nanoteknologier inden for kommunikation, nanorobotik og ultratynde optiske komponenter.

I det 17. og 18. århundrede, den italienske håndværkermester Antonio Stradivari producerede musikinstrumenter af legendarisk kvalitet, og mest kendt er hans (såkaldte) Stradivarius-violiner. Det, der gør det musikalske output af disse musikinstrumenter både smukt og unikt, er deres særlige klangfarve, også kendt som tonefarve eller tonekvalitet. Alle instrumenter har en klang - når der spilles en node (lyd med frekvens fs), instrumentet skaber harmoniske (frekvenser, der er et heltal af den oprindelige frekvens, dvs. 2fs, 3fs, 4fs, 5fs, 6fs, etc.).

Tilsvarende når lys af en bestemt farve (med frekvens fc) skinner på materialer, disse materialer kan producere harmoniske (lysfrekvenser 2fc, 3fc, 4fc, 5fc, 6fc, etc.). Lysets harmoniske afslører indviklede materialeegenskaber, der finder anvendelse i medicinsk billedbehandling, kommunikation og laserteknologi.

For eksempel, stort set alle grønne laserpointere er faktisk en infrarød laserpointer, hvis lys er usynligt for menneskelige øjne. Det grønne lys, som vi ser, er faktisk den anden harmoniske (2fc) af den infrarøde lasermarkør, og den produceres af en speciel krystal inde i markøren.

I både musikinstrumenter og skinnende materialer, nogle frekvenser er 'forbudte' – dvs. de kan ikke høres eller ses, fordi instrumentet eller materialet aktivt annullerer dem. Fordi klarinetten har en straight, cylindrisk form, det undertrykker alle de lige harmoniske (2fs, 4fs, 6fs, osv.) og producerer kun ulige harmoniske (3fs, 5fs, 7fs, etc.). Derimod en saxofon har en konisk og buet form, som tillader alle harmoniske og resulterer i en rigere, jævnere lyd. Noget lignende, når en bestemt type lys (cirkulært polariseret) skinner på metalnanopartikler spredt i en væske, lysets ulige harmoniske kan ikke forplante sig langs lysets bevægelsesretning, og de tilsvarende farver er forbudt.

Nu, et internationalt hold af forskere ledet af forskere fra Institut for Fysik ved University of Bath har fundet en måde at afsløre de forbudte farver, svarende til opdagelsen af ​​en ny fysisk effekt. For at opnå dette resultat, de 'buede' deres eksperimentelle udstyr.

Professor Ventsislav Valev, hvem ledede forskningen, sagde:"Ideen om, at drejningen af ​​nanopartikler eller molekyler kunne afsløres gennem selv harmoniske lys, blev først formuleret for over 42 år siden, af en ung ph.d. elev – David Andrews. David mente, at hans teori var for uhåndgribelig til nogensinde at blive valideret eksperimentelt, men to år siden, vi demonstrerede dette fænomen. Nu, vi opdagede, at vridningen af ​​nanopartikler også kan observeres i lysets ulige harmoniske. Det er især glædeligt, at den relevante teori blev leveret af ingen ringere end vores medforfatter og i dag veletablerede professor – David Andrews!

"For at tage en musikalsk analogi, indtil nu, forskere, der studerer snoede molekyler (DNA, aminosyrer, proteiner, sukkerarter, osv.) og nanopartikler i vand - livets element - har belyst dem ved en given frekvens og har enten observeret den samme frekvens eller dens støj (uharmoniske delovertoner). Vores undersøgelse åbner op for studiet af de harmoniske signaturer af disse snoede molekyler. Så, vi kan sætte pris på deres 'klange' for første gang.

"Fra et praktisk synspunkt, vores resultater giver en ligetil, brugervenlig eksperimentel metode til at opnå en hidtil uset forståelse af samspillet mellem lette og snoede materialer. Sådanne interaktioner er kernen i nye nanoteknologier inden for kommunikation, nanorobotik og ultratynde optiske komponenter. For eksempel, nanopartiklernes 'twist' kan bestemme værdien af ​​informationsbits (for venstrehåndet eller højrehåndet twist). Det er også til stede i propellerne til nanorobotter og kan påvirke udbredelsesretningen for en laserstråle. I øvrigt, vores metode er anvendelig i små mængder af belysning, velegnet til analyse af naturlige kemiske produkter, der er lovende for nye lægemidler, men hvor det tilgængelige materiale ofte er knapt.

Ph.D. studerende Lukas Ohnoutek, også involveret i forskningen, sagde:"Vi var meget tæt på at gå glip af denne opdagelse. Vores første udstyr var ikke 'tunet' godt, og så vi blev ved med at se intet ved den tredje harmoniske. Jeg var begyndt at miste håbet, men vi havde et møde, identificerede potentielle problemer og undersøgte dem systematisk, indtil vi opdagede problemet. Det er vidunderligt at opleve den videnskabelige metode i arbejde, især når det fører til en videnskabelig opdagelse!"

Professor Andrews tilføjede:''Professor Valev har ført et internationalt hold til en rigtig førsteplads inden for anvendt fotonik. Da han inviterede min deltagelse, det førte mig tilbage til teoriarbejdet fra min doktorgrad. Det har været fantastisk at se det blive til virkelighed så mange år senere."

Forskningen er publiceret i tidsskriftet Laser &Photonic anmeldelser.