Anvendte fysikere skaber byggesten til en ny klasse af optiske kredsløb

Forestil dig at skabe nye enheder med fantastiske og eksotiske optiske egenskaber, der ikke findes i naturen - ved blot at fordampe en dråbe partikler på en overflade.

Ved kemisk at bygge klynger af nanosfærer fra en væske, et hold af Harvard-forskere, i samarbejde med forskere ved Rice University, University of Texas i Austin, og University of Houston, har udviklet netop det.

Fundet, offentliggjort i 28. maj-udgaven af Videnskab , demonstrerer enkle skalerbare enheder, der udviser tilpassede optiske egenskaber, der er velegnede til applikationer lige fra meget følsomme sensorer og detektorer til usynlighedskapper. Brug af partikler bestående af koncentriske metalliske og isolerende skaller, Jonathan Fan, en kandidatstuderende ved Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), hans hovedmedforfatter Federico Capasso, Robert L. Wallace Professor i anvendt fysik og Vinton Hayes Senior Research Fellow i elektroteknik på SEAS, og Vinothan Manoharan, Lektor i kemiteknik og fysik ved SEAS og Harvards fysikafdeling, udtænkt en bottom-up, selvsamlende tilgang til at imødegå designudfordringen.

"En langvarig udfordring inden for optisk teknik har været at finde måder at gøre strukturer af størrelse meget mindre end den bølgelængde, der udviser ønskede og interessante egenskaber, " siger Fan. "Ved synlige frekvenser, disse strukturer skal være nanoskala. "

I modsætning, de fleste enheder i nanoskala er fremstillet ved hjælp af top-down tilgange, svarende til hvordan computerchips fremstilles. De mindste størrelser, der kan realiseres ved sådanne teknikker, er stærkt begrænset af de iboende grænser for fremstillingsprocessen, såsom bølgelængden af ​​lys, der bruges i processen. I øvrigt, sådanne metoder er begrænset til plane geometrier, er dyre, og kræver intens infrastruktur såsom renrum.

"Med vores bottom-up tilgang, vi efterligner den måde, naturen skaber innovative strukturer på, som udviser yderst nyttige egenskaber, " forklarer Capasso. "Vores nanoklynger opfører sig som små optiske kredsløb og kan være grundlaget for ny teknologi såsom detektorer af enkelte molekyler, effektive og biologisk kompatible prober i cancerterapi, og optisk pincet til at manipulere og sortere partikler i nanostørrelse fra. I øvrigt, fremstillingsprocessen er meget enklere og billigere at udføre. "

Forskerens selvsamlingsmetode kræver ikke andet end lidt blanding og tørring. For at danne klyngerne, partiklerne belægges først med en polymer, og en dråbe af dem fordampes derefter på en vandafvisende overflade. I fordampningsprocessen, partiklerne pakker sig sammen til små klynger. Brug af polymerafstandsstykker til at adskille nanopartiklerne, forskerne var i stand til kontrolleret at opnå et mellemrum på to nanometer mellem partiklerne-langt bedre opløsning end traditionelle top-down-metoder tillader.

To typer resulterende optiske kredsløb er af betydelig interesse. En trimmer, bestående af tre lige store partikler, kan understøtte en magnetisk reaktion, en væsentlig egenskab ved usynlighedskapper og materialer, der udviser negativt brydningsindeks.

"I det væsentlige, trimeren fungerer som en nanoskala-resonator, der kan understøtte en cirkulerende strømkreds ved synlige og nær-infrarøde frekvenser, " siger Fan. "Denne struktur fungerer som en nanoskalamagnet ved optiske frekvenser, noget, som naturlige materialer ikke kan. "

Heptamerer, eller pakket syv partikelstrukturer, udviser næsten ingen spredning for et snævert område af veldefinerede farver eller bølgelængder, når de belyses med hvidt lys. Disse skarpe dips, kendt som Fano -resonanser, opstå fra interferens af to måder af elektronsvingninger, en "lys" tilstand og en ikke-optisk aktiv "mørk" tilstand, i nanopartiklerne.

"Heptamerer er meget effektive til at skabe ekstremt intense elektriske felter lokaliseret i nanometer-størrelse regioner, hvor molekyler og nanoskala partikler kan fanges, manipuleret, og opdaget. Molekylær sansning ville være afhængig af at detektere forskydninger i de smalle spektradips, " siger Capasso.

Ultimativt, alle de selvmonterede kredsløbskonstruktioner kan let afstemmes ved at variere geometrien, hvordan partiklerne adskilles, og det kemiske miljø. Kort sagt, den nye metode tillader et "værktøjssæt" til at manipulere "kunstige molekyler" på en sådan måde at skabe optiske egenskaber efter behag, en funktion forskerne forventer er generelt generaliserbar til en lang række andre egenskaber.

Ser frem til, forskerne planlægger at arbejde på at opnå højere klyngeudbytter og håber at samle tredimensionelle strukturer i makroskalaen, en "hellig gral" af materialevidenskab.

"Vi er begejstrede for den potentielle skalerbarhed af metoden, " siger Manoharan. "Sfærer er de nemmeste former at samle, da de let kan pakkes sammen. Mens vi kun demonstrerede her plane partikelklynger, vores metode kan udvides til tredimensionelle strukturer, noget, som en top-down-tilgang ville have svært ved at gøre. "