Verdens mindste spiraler kunne beskytte mod identitetstyveri

Tag guldspiraler på størrelse med en skilling ... og krymp dem omkring seks millioner gange. Resultatet er verdens mindste kontinuerlige spiraler:"nano-spiraler" med unikke optiske egenskaber, som ville være næsten umulige at forfalske, hvis de blev tilføjet til identitetskort, valuta og andre vigtige genstande.

Studerende og fakulteter ved Vanderbilt University fremstillede disse små Archimedes' spiraler og brugte derefter ultrahurtige lasere ved Vanderbilt og Pacific Northwest National Laboratory i Richland, Washington, at karakterisere deres optiske egenskaber. Resultaterne er rapporteret i et papir offentliggjort online af Journal of Nanophotonics den 21. maj.

"De er bestemt mindre end nogen af ​​de spiraler, vi har fundet rapporteret i den videnskabelige litteratur, " sagde Roderick Davidson II, Vanderbilt ph.d.-studerende, der fandt ud af, hvordan man studerede deres optiske adfærd. Spiralerne blev designet og lavet på Vanderbilt af en anden doktorand, Jed Ziegler, nu på Søværnets Forskningslaboratorium.

De fleste andre efterforskere, der har studeret de bemærkelsesværdige egenskaber ved mikroskopiske spiraler, har gjort det ved at arrangere diskrete nanopartikler i et spiralmønster:svarende til spiraler tegnet med en række blækprikker på et stykke papir. Derimod de nye nano-spiraler har solide arme og er meget mindre:Et kvadratisk array med 100 nano-spiraler på en side er mindre end en hundrededel af en millimeter bred.

Når disse spiraler krympes til størrelser mindre end bølgelængden af ​​synligt lys, de udvikler usædvanlige optiske egenskaber. For eksempel, når de er belyst med infrarødt laserlys, de udsender synligt blåt lys. En række krystaller frembringer denne effekt, kaldet frekvensfordobling eller harmonisk generering, i forskellige grader. Den stærkeste frekvensdobler, der tidligere er kendt, er det syntetiske krystal beta-bariumborat, men nano-spiralerne producerer fire gange mere blåt lys pr. volumenenhed.

Når infrarødt laserlys rammer de små spiraler, det absorberes af elektroner i guldarmene. Armene er så tynde, at elektronerne tvinges til at bevæge sig langs spiralen. Elektroner, der drives mod midten, absorberer nok energi, så nogle af dem udsender blåt lys med dobbelt frekvens af det indkommende infrarøde lys.

"Dette svarer til, hvad der sker med en violinstreng, når den bukkes kraftigt, " sagde Stevenson professor i fysik Richard Haglund, hvem ledede forskningen. "Hvis du bukker en violinstreng meget let, frembringer den en enkelt tone. Men, hvis du bøjer det kraftigt, det begynder også at producere højere harmoniske, eller overtoner. Elektronerne i midten af ​​spiralerne drives ret kraftigt af laserens elektriske felt. Det blå lys er præcis en oktav højere end det infrarøde - den anden harmoniske."

Nano-spiralerne har også en karakteristisk respons på polariseret laserlys. Lineært polariseret lys, som det produceret af et polaroid-filter, vibrerer i et enkelt plan. Når den bliver ramt af sådan en lysstråle, mængden af ​​blåt lys, som nano-spiralerne udsender, varierer, når vinklen på polarisationsplanet drejes 360 grader.

Effekten er endnu mere dramatisk, når der bruges cirkulært polariseret laserlys. I cirkulært polariseret lys, polariseringsplanet roterer enten med eller mod uret. Når venstrehåndede nano-spiraler belyses med polariseret lys med uret, mængden af ​​produceret blåt lys er maksimeret, fordi polariseringen skubber elektronerne mod midten af ​​spiralen. Polariseret lys mod uret, på den anden side, producerer en minimal mængde blåt lys, fordi polariseringen har en tendens til at skubbe elektronerne udad, så bølgerne fra hele nano-spiralen interfererer destruktivt.

Kombinationen af ​​de unikke egenskaber ved deres frekvensfordobling og respons på polariseret lys giver nano-spiralerne en unik, tilpasselig signatur, der ville være ekstremt vanskelig at forfalske, sagde forskerne.

Indtil nu, Davidson har eksperimenteret med små arrays af guld nano-spiraler på et glassubstrat lavet ved hjælp af scanning elektronstrålelitografi. Sølv og platin nano-spiraler kunne laves på samme måde. På grund af de små mængder metal, der faktisk bruges, de kan laves billigt af ædle metaller, som modstår kemisk nedbrydning. De kan også laves på plastik, papir og en række andre underlag.

"Hvis nano-spiraler var indlejret i et kreditkort eller identifikationskort, de kunne detekteres af en enhed, der kan sammenlignes med en stregkodelæser, sagde Haglund.

Frekvensfordoblingseffekten er stærk nok til, at arrays, der er for små til at se med det blotte øje, let kan detekteres. Det betyder, at de kan placeres et hemmeligt sted på et kort, hvilket ville udgøre en yderligere barriere for falskmøntnere.

Forskerne hævder også, at kodede nano-spiral-arrays kunne indkapsles og placeres i sprængstoffer, kemikalier og stoffer - ethvert stof, som nogen ønsker at spore nøje - og derefter opdaget ved hjælp af en optisk udlæsningsenhed.