Surfing i et lysvågning:Forskere observerer og kontrollerer lysvågninger for første gang

Når en and padler hen over en dam eller et supersonisk fly flyver gennem himlen, den efterlader et kølvand på sin vej. Vågn opstår, når noget bevæger sig gennem et medium hurtigere end de bølger, det skaber - i andens tilfælde vandbølger, i flyets tilfælde chokbølger, ellers kendt som sonic booms.

Wakes kan eksistere overalt, hvor der er bølger, selvom disse bølger er lette. Mens intet rejser hurtigere end lysets hastighed i et vakuum, lys er ikke altid i et vakuum. Det er muligt for noget at bevæge sig hurtigere end lysets fasehastighed i et medium eller materiale og generere et kølvandet. Det mest berømte eksempel på dette er Cherenkov-stråling, vågner, der produceres, når elektriske ladninger bevæger sig gennem væsker hurtigere end lysets fasehastighed, udsender et lysende blåt kølvand.

For første gang, Harvard-forskere har skabt lignende bølger af lyslignende bølger, der bevæger sig på en metallisk overflade, kaldet overfladeplasmoner, og demonstreret, at de kan kontrolleres og styres. Opdagelsen, offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur nanoteknologi , blev lavet i laboratoriet hos Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i anvendt fysik og Vinton Hayes seniorforsker i elektroteknik ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Science (SEAS).

"Evnen til at kontrollere lys er en kraftfuld, " sagde Capasso. "Vores forståelse af optik på makroskalaen har ført til hologrammer, Google Glass og LED'er, for blot at nævne nogle få teknologier. Nano-optik er en vigtig del af fremtiden for nanoteknologi, og denne forskning fremmer vores evne til at kontrollere og udnytte lysets kraft på nanoskalaen."

Oprettelse og kontrol af overfladeplasmonvåger kan føre til nye typer plasmoniske koblere og linser, der kan skabe todimensionelle hologrammer eller fokusere lys på nanoskala.

Overfladeplasmoner er begrænset til overfladen af ​​et metal. For at skabe vågner gennem dem, Capassos team designede en hurtigere end lys løbende ladningsbølge langs et endimensionelt metamateriale - som en motorbåd, der suser over en sø.

Metamaterialet, en nanostruktur af roterede spalter ætset ind i en guldfilm, ændrer fasen af ​​overfladeplasmonerne genereret ved hver spalte i forhold til hinanden, øge hastigheden af ​​den løbende bølge. Nanostrukturen fungerer også som bådens ror, giver mulighed for at styre vågerne ved at kontrollere hastigheden af ​​den løbende bølge.

Holdet opdagede, at indfaldsvinklen af ​​lyset, der skinner på metamaterialet, giver et yderligere mål for kontrol, og at bruge polariseret lys kan endda vende retningen af ​​kølvandet i forhold til den løbende bølge - som et kølvandet, der rejser i den modsatte retning af en båd .

"At være i stand til at kontrollere og manipulere lys på skalaer meget mindre end lysets bølgelængde er meget vanskeligt, sagde Daniel Wintz, en hovedforfatter af papiret og kandidatstuderende i Capasso-laboratoriet. "Det er vigtigt, at vi ikke kun observerede disse vågner, men fandt flere måder at kontrollere og styre dem på."

Selve observationen var udfordrende, da "overfladeplasmoner ikke er synlige for øjet eller kameraer, " sagde medforfatter Antonio Ambrosio fra SEAS og det italienske forskningsråd (CNR). "For at se kølvandet, vi brugte en eksperimentel teknik, der tvinger plasmoner fra overfladen, opsamler dem via fiberoptik og optager billedet."

Dette arbejde kunne repræsentere et nyt testbed for vågenfysik på tværs af en række forskellige discipliner. "Denne forskning adresserer et særligt elegant og innovativt problem inden for fysik, som forbinder forskellige fysiske fænomener, fra vandvågner til soniske boom, og Cherenkov-stråling, " sagde Patrice Genevet, en hovedforfatter, tidligere fra SEAS, i øjeblikket tilknyttet Singapore Institute of Manufacturing Technology.