Nanoantenne koncentrerer lyset:Intensiteten øges 1, 000 gange

(PhysOrg.com) -- Alle, der nogensinde har brugt et tv, radio eller mobiltelefon ved, hvad en antenne gør:Den fanger de antennesignaler, der gør disse enheder praktiske. Et laboratorium på Rice University har bygget en antenne, der fanger lys på samme måde, i en lille skala, der har stort potentiale.

Fysiker Doug Natelson i kondenseret stof og kandidatstuderende Dan Ward har fundet en måde at lave en optisk antenne af to guldspidser adskilt af et nanoskalagab, der samler lys fra en laser. Tipsene "griber lyset og koncentrerer det ned i et lille rum, " sagde Natelson, fører til en tusind gange stigning i lysintensiteten i mellemrummet.

At få en nøjagtig måling af effekten er en første, sagde Natelson, som rapporterede resultaterne i dagens online-udgave af tidsskriftet Natur nanoteknologi . Han forventer, at opdagelsen vil være nyttig i udviklingen af ​​værktøjer til optik og til kemisk og biologisk sansning, selv på enkelt-molekyle skalaen, med konsekvenser for industriel sikkerhed, forsvar og hjemmesikkerhed.

Avisen af ​​Natelson, Ward og deres kolleger i Tyskland og Spanien beskriver holdets teknik, som involverer at skinne laserlys ind i mellemrummet mellem et par guldspidser med mindre end en nanometer fra hinanden - omkring en hundrede tusindedel af bredden af ​​et menneskehår.

"Du kan ignorere det faktum, at din bilantenne er bygget af atomer; den virker bare, " sagde Natelson, en risprofessor i fysik og astronomi, og også el- og computerteknik. "Men når man har små stykker metal meget tæt på hinanden, du skal bekymre dig om alle detaljer. Markerne bliver store, situationen bliver kompliceret, og du er virkelig begrænset. Vi har været i stand til at bruge noget fysik, der kun kommer i spil, når tingene er meget tæt på hinanden, for at hjælpe med at finde ud af, hvad der foregår."

Nøglen til at måle lysforstærkning viste sig at være at måle noget andet, specifikt den elektriske strøm, der flyder mellem guldspidserne.

Ved at sætte nanotipperne så tæt på hinanden kan ladningen strømme via kvantetunnel, når elektronerne skubbes fra den ene side til den anden. Forskerne kunne få elektroner i bevægelse ved at skubbe dem ved lave frekvenser med en spænding, på en meget kontrollerbar, målbar måde. De kunne også få dem til at flyde ved at skinne laseren, som skubber ladningen ved lysets meget høje frekvens. At kunne sammenligne de to processer satte en standard, hvorved lysforstærkningen kunne bestemmes, sagde Natelson. Deres tyske og spanske medforfattere hjalp med at levere den nødvendige teoretiske begrundelse for analysen.

Amplifikationen er en plasmonisk effekt, sagde Natelson. Plasmoner, som kan blive ophidset af lys, er oscillerende elektroner i metalliske strukturer, der fungerer som krusninger i en pool. "Du har en metalstruktur, du skinner lys på det, lyset får elektronerne i denne metalstruktur til at skvulpe rundt, " sagde han. "Du kan tænke på elektronerne i metallet som en inkompressibel væske, som vand i et badekar. Og når du får dem til at skvulpe frem og tilbage, du får elektriske felter.

"Ved overfladerne af metallet, disse felter kan være meget store - meget større end dem fra den oprindelige stråling, " sagde han. "Det, der var svært at måle, var hvor stort. Vi vidste ikke, hvor meget de to sider skvulpede op og ned - og det er præcis det, vi bekymrer os om."

Ved samtidig at måle de lavfrekvente elektrisk drevne og de højfrekvente optisk drevne strømme mellem spidserne, "Vi kan finde ud af spændingen, der synger frem og tilbage ved de virkelig høje frekvenser, der er karakteristiske for lys, " han sagde.

Natelson sagde, at hans laboratoriums hjemmebyggede apparat, som kombinerer nanoskala elektronik og optik, er ret usædvanligt. "Der er mange mennesker, der laver optik. Der er mange, der laver elektriske målinger i nanoskala, " sagde han. "Der er stadig ikke for mange mennesker, der kombinerer de to."

Den brugerdefinerede rig gav Rice-forskerne en vis grad af kontrol over termiske og elektriske egenskaber, der har hindret andre efterforskere. Spidserne afkøles til 80 Kelvin, omkring -315 grader Fahrenheit, og er elektrisk isoleret fra deres siliciumbaser, holde vildledende spændinger i skak, der kan skævvride resultaterne.

"Grunden til, at vi studerer disse forbedrede felter, er ikke kun, fordi de er der, " sagde Natelson. "Hvis du kan forbedre det lokale felt med en faktor 1, 000, der er masser af ting, du kan gøre med hensyn til sensorer og ikke-lineær optik. Alt, der giver dig styr på, hvad der sker på disse små skalaer, er meget nyttigt.

"Dette er en af ​​de sjældne, glade sager, hvor man faktisk er i stand til at få information - meget lokal information - om netop noget, man holder af."