Fysikere måler fotoniske interaktioner på atomniveau

Ved at måle lysets unikke egenskaber på skalaen af ​​et enkelt atom, forskere fra Duke University og Imperial College, London, mener, at de har karakteriseret grænserne for metals evne i enheder, der forbedrer lyset.

Dette felt er kendt som plasmonics, fordi videnskabsmænd forsøger at drage fordel af plasmoner, elektroner, der er blevet "ophidset" af lys i et fænomen, der producerer elektromagnetisk feltforstærkning. Forbedringen opnået af metaller på nanoskala er betydeligt højere end den, der kan opnås med noget andet materiale.

Indtil nu, forskere har ikke været i stand til at kvantificere plasmoniske interaktioner ved meget små størrelser, og har derfor ikke været i stand til at kvantificere de praktiske begrænsninger af lysforbedring. Denne nye viden giver dem en køreplan for præcis at kontrollere lysspredning, der skal hjælpe med udviklingen af ​​enheder, såsom medicinske sensorer og integrerede fotoniske kommunikationskomponenter.

Typisk, plasmoniske enheder involverer interaktioner af elektroner mellem to metalpartikler adskilt af en meget kort afstand. I de sidste 40 år, videnskabsmænd har forsøgt at finde ud af, hvad der sker, når disse partikler bringes tættere og tættere på, på sub-nanometer afstande.

"Vi var i stand til at demonstrere nøjagtigheden af ​​vores model ved at studere den optiske spredning fra guldnanopartikler, der interagerer med en guldfilm, " sagde Cristian Ciracì, postdoc ved Duke's Pratt School of Engineering. "Vores resultater giver en stærk eksperimentel støtte til at sætte en øvre grænse for den maksimale feltforstærkning, der kan opnås med plasmoniske systemer."

Resultaterne af forsøgene, som blev udført i David R. Smiths laboratorium, William Bevan professor i elektrisk og computerteknik ved Duke, vises på forsiden af Videnskab , 31. august, 2012.

Ciracì og hans team startede med en tynd guldfilm belagt med et ultratyndt monolag af organiske molekyler, besat med præcist kontrollerbare kulstofkæder. Nanometriske guldkugler blev spredt oven på monolaget. Væsentligt for eksperimentet var, at afstanden mellem kuglerne og filmen kunne justeres med en præcision af et enkelt atom. På denne måde, forskerne var i stand til at overvinde begrænsningerne ved traditionelle tilgange og opnå en fotonisk signatur med opløsning på atomniveau.

"Når du kender den maksimale feltforbedring, du kan derefter finde ud af effektiviteten af ​​ethvert plasmonisk system, " sagde Smith. "Det giver os også mulighed for at 'tune' det plasmoniske system for at få nøjagtige forudsigelige forbedringer, nu hvor vi ved, hvad der sker på atomniveau. Kontrol over dette fænomen har dybe konsekvenser for ikke-lineær og kvanteoptik."

Duke-teamet arbejdede med kolleger på Imperial College, specifikt Sir John Pendry, som længe har samarbejdet med Smith.

"Dette papir tager eksperiment ud over nano og udforsker videnskaben om lys på en skala fra et par tiendedele af et nanometer, diameteren af ​​et typisk atom, " sagde Pendry, fysiker og meddirektør for Center for Plasmonics and Metamaterials på Imperial College. "Vi håber at udnytte dette fremskridt til at muliggøre fotoner, normalt et par hundrede nanometer i størrelse, at interagere intenst med atomer, der er tusind gange mindre. "