Plasmoniske nanoantenner viser løfte om optiske innovationer

(PhysOrg.com) - Forskere har vist, hvordan arrays af små "plasmoniske nanoantenner" er i stand til præcist at manipulere lys på nye måder, der kunne muliggøre en række optiske innovationer såsom mere kraftfulde mikroskoper, telekommunikation og computere.

Forskerne ved Purdue University brugte nanoantennerne til pludselig at ændre en lysegenskab kaldet dens fase. Lys overføres som bølger, der er analoge med bølger af vand, som har høje og lave point. Fasen definerer disse høje og lave lyspunkter.

"Ved pludselig at ændre fasen kan vi dramatisk ændre, hvordan lys formerer sig, og det åbner mulighed for mange potentielle applikationer, "sagde Vladimir Shalaev, videnskabelig direktør for nanofotonik ved Purdues Birck Nanotechnology Center og en fremtrædende professor i elektrisk og computerteknik.

Fundene er beskrevet i et papir, der skal offentliggøres online torsdag (22. december) i tidsskriftet Videnskab .

Det nye arbejde på Purdue udvider resultaterne af forskere ledet af Federico Capasso, Robert L. Wallace -professor i anvendt fysik og Vinton Hayes Senior Research Fellow i elektroteknik ved Harvard School of Engineering and Applied Sciences. I det arbejde, beskrevet i et Science Science -dokument fra oktober, Harvard -forskere ændrede Snells lov, en langvarig formel, der bruges til at beskrive, hvordan lys reflekterer og bryder, eller bøjninger, mens man går fra et materiale til et andet.

"Det de påpegede var revolutionerende, "Sagde Shalaev.

Indtil nu, Snells lov har antydet, at når lys passerer fra et materiale til et andet, er der ingen pludselige faseændringer langs grænsefladen mellem materialerne. Harvard -forskere, imidlertid, udført eksperimenter, der viser, at lysfasen og formeringsretningen kan ændres dramatisk ved hjælp af nye typer strukturer kaldet metamaterialer, som i dette tilfælde var baseret på en række antenner.

Purdue -forskerne tog arbejdet et skridt videre, skaber arrays af nanoantenner og ændrer lysets fase og udbredelsesretning over en bred vifte af nær-infrarødt lys. Opgaven er skrevet af doktorander Xingjie Ni og Naresh K. Emani, hovedforsker videnskabsmand Alexander V. Kildishev, adjunkt Alexandra Boltasseva, og Shalaev.

Bølgelængdestørrelsen manipuleret af antennerne i Purdue -eksperimentet varierer fra 1 til 1,9 mikron.

"Det nær infrarøde, specifikt en bølgelængde på 1,5 mikron, er afgørende for telekommunikation, "Sagde Shalaev." Information overføres på tværs af optiske fibre ved hjælp af denne bølgelængde, hvilket gør denne innovation potentielt praktisk for fremskridt inden for telekommunikation. "

Harvard -forskerne forudsagde, hvordan man kunne ændre Snells lov og demonstrerede princippet ved en bølgelængde.

"Vi har udvidet Harvard -teamets applikationer til nærinfrarød, hvilket er vigtigt, og vi viste også, at det ikke er en enkelt frekvenseffekt, det er en meget bredbåndseffekt, "Shalaev sagde." At have en bredbåndseffekt tilbyder muligvis en række teknologiske applikationer. "

Innovationen kunne bringe teknologier til styring og formning af laserstråler til militære og kommunikationsapplikationer, nanokredsløb til computere, der bruger lys til at behandle oplysninger, og nye typer kraftfulde linser til mikroskoper.

Kritisk for fremskridt er evnen til at ændre lys, så det udviser "anomalisk" adfærd:især, den bøjer sig på en måde, der ikke er mulig ved brug af konventionelle materialer ved radikalt at ændre dens brydning, en proces, der opstår som elektromagnetiske bølger, herunder lys, bøjning, når man går fra et materiale til et andet.

Forskere måler denne bøjning af stråling ved dens "brydningsindeks". Refraktion forårsager bøjet-stick-in-water-effekten, som opstår, når en pind placeret i et glas vand ser bøjet ud set udefra. Hvert materiale har sit eget brydningsindeks, som beskriver, hvor meget lys der vil bøje i det pågældende materiale. Alle naturlige materialer, såsom glas, luft og vand, har positive brydningsindeks.

Imidlertid, nanoantenna -arrays kan få lys til at bøje i en lang række vinkler, herunder negative brydningsvinkler.

"Det er vigtigt, sådan dramatisk afvigelse fra den konventionelle Snells lov om refleksion og brydning opstår, når lys passerer gennem strukturer, der faktisk er meget tyndere end bredden af ​​lysets bølgelængder, hvilket ikke er muligt ved brug af naturlige materialer, "Sagde Shalaev." Også, ikke kun bøjningseffekten, brydning, men også refleksion af lys kan dramatisk modificeres af antennearrayerne på grænsefladen, som eksperimenterne viste. "

Nanoantennerne er V-formede strukturer lavet af guld og dannet oven på et siliciumlag. De er et eksempel på metamaterialer, som typisk omfatter såkaldte plasmoniske strukturer, der leder skyer af elektroner kaldet plasmoner. Antennerne selv har en bredde på 40 nanometer, eller milliarder af en meter, and researchers have demonstrated they are able to transmit light through an ultrathin "plasmonic nanoantenna layer" about 50 times smaller than the wavelength of light it is transmitting.

"This ultrathin layer of plasmonic nanoantennas makes the phase of light change strongly and abruptly, causing light to change its propagation direction, as required by the momentum conservation for light passing through the interface between materials, " Shalaev said.