Forskere afslører submikroskopisk tunable, optisk forstærker

Rice University fotonikforskere har afsløret en ny nanopartikelforstærker, der kan generere infrarødt lys og øge outputtet af et lys ved at fange og konvertere energi fra et andet lys.

Innovationen, det seneste fra Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP), er beskrevet online i et papir i tidsskriftet American Chemical Society Nano bogstaver . Enheden fungerer meget som en laser, men mens lasere har en fast udgangsfrekvens, outputtet fra Rices nanoskala "optisk parametrisk forstærker" (OPA) kan indstilles over en række frekvenser, der inkluderer en del af det infrarøde spektrum.

"Justerbare infrarøde OPA-lyskilder koster i dag omkring $100, 000 og optager en god smule plads på en bordplade eller laboratoriebænk, " sagde studielederforfatter Yu Zhang, en tidligere Rice kandidatstuderende ved LANP. "Hvad vi har demonstreret, i princippet, er en enkelt nanopartikel, der tjener samme funktion og er omkring 400 nanometer i diameter."

Til sammenligning, det er omkring 15 gange mindre end et rødt blodlegeme, og Zhang sagde, at krympning af en infrarød lyskilde til så lille en skala kunne åbne døre til nye former for kemisk sansning og molekylær billeddannelse, som ikke er mulige med nutidens avancerede infrarøde spektroskopi i nanoskala.

Zhang, der fik sin ph.d. fra Rice i 2014 og arbejder i dag hos Lam Research i Fremont, Californien, nævnte parametriske forstærkning er blevet brugt i årtier i mikroelektronik. Det involverer to indgangssignaler, en svag og en stærk, og to tilsvarende udgange. Udgangene er også stærke og svage, men energien fra det kraftigere input - kendt som "pumpen" - bruges til at forstærke det svage indkommende "signal" og gøre det til det kraftigere output. Udgangseffekten med lav effekt - kendt som "tomgangeren" - indeholder en resterende del af pumpens energi.

"Optiske parametriske forstærkere fungerer med lys i stedet for elektricitet, " sagde LANP-direktør Naomi Halas, den ledende videnskabsmand på den nye undersøgelse og direktøren for Rice's Smalley-Curl Institute. "I OPA'er, et stærkt pumpelys forstærker et svagt "frø"-signal dramatisk og genererer et tomgangslys på samme tid. I vores tilfælde, pumpen og signalfrekvenserne er synlige, og tomgangen er infrarød."

Mens pumpelaseren i Rice's enhed har en fast bølgelængde, både signal- og tomgangsfrekvenserne kan indstilles.

"Folk har tidligere demonstreret infrarøde lasere i nanoskala, men vi tror, ​​at dette er den første indstillelige nanoskala infrarøde lyskilde, " sagde Halas.

Gennembruddet er det seneste for Halas' laboratorium, forskningsarmen fra Rice's Smalley-Curl Institute, der har specialiseret sig i studiet af lysaktiverede nanopartikler. For eksempel, nogle metalliske nanopartikler omdanner lys til plasmoner, bølger af elektroner, der flyder som en væske hen over en partikels overflade. I snesevis af undersøgelser gennem de sidste to årtier, LANP-forskere har udforsket den grundlæggende fysik af plasmonik og vist, at plasmoniske interaktioner kan udnyttes til applikationer så forskellige som medicinsk diagnostik, kræftbehandling, solenergiindsamling og optisk databehandling.

Et af LANPs specialer er design af multifunktionelle plasmoniske nanopartikler, der interagerer med lys på mere end én måde. Zhang sagde, at OPA-projektet i nanoskala krævede, at LANP's team skulle skabe en enkelt partikel, der samtidigt kunne resonere med tre lysfrekvenser.

"Der er iboende ineffektivitet i OPA-processen, men vi var i stand til at kompensere for disse ved at designe en overfladeplasmon med tredobbelt resonans ved pumpen, signal- og tomgangsfrekvenser, " sagde Zhang. "Strategien gjorde det muligt for os at demonstrere tunbar emission over en række infrarøde frekvenser - et vigtigt potentielt skridt for yderligere udvikling af teknologien."

Zhang sagde, at tidligere Rice-fysik-postdoc-forsker Alejandro Manjavacas - nu ved University of New Mexico - udførte de nødvendige beregninger for at designe den tredobbelte resonante nanopartikel.

Halas sagde, at projektet også viste den tværfaglige styrke ved LANP. "I nanofotonik, anvendt og fundamental forskning går hånd i hånd, fordi en dyb forståelse af den grundlæggende fysik er det, der giver os mulighed for at optimere partikeldesign. Det er derfor en af ​​LANPs primære missioner er at bringe teoretikere og eksperimentalister sammen, og dette projekt er et godt eksempel på, hvordan det betaler sig."