En revolution i lyset i den lille skala

Lys opfører sig på ret tamme og forudsigelige måder, når det interagerer med hverdagsgenstande - det bevæger sig i lige linjer, springer tilbage, når den rammer skinnende overflader, og bliver bøjet af linser. Men underlige og vidunderlige ting begynder at ske, når lys interagerer med meget små genstande. Nanopartikler, for eksempel, som er samlinger af atomer så små som en virus, kan fungere som miniantenner, og små skiver af silicium kan udløse mærkelige 'lystilstande', der gør skiverne usynlige.

Et nyt område inden for optik er dukket op i de senere år for at studere disse mærkelige fænomener. "Nanofotonik, en gren af ​​optik, der beskæftiger sig med lys i nanoskala dimensioner, er blevet et varmt forskningsemne i løbet af det sidste årti eller deromkring, " bemærker Arseniy Kuznetsov fra A*STAR Data Storage Institute. "Det lover meget for forskellige nye applikationer, lige fra højhastighedsinformationstransmission og holografiske visningsteknologier til bioimaging og genomsekventering." Kuznetsovs team leder udviklingen inden for et underområde af nanofotonik, som kunne sikre dens udbredte praktiske anvendelse.

Lys på små skalaer

Traditionelt, nanofotonik har fokuseret på bittesmå metalstrukturer som guld og sølv nanopartikler. Det oscillerende elektriske lysfelt får de frie elektroner i metaller til at svinge kollektivt. Ved visse partikelstørrelser, dette kan give anledning til en effekt kendt som overfladeplasmonresonans. Resonans er et generelt fænomen, hvor et system udviser en meget større respons ved bestemte frekvenser - f.eks. en operasanger kan få et vinglas til at splintre ved at synge på den tonehøjde, det giver genlyd på. Overfladeplasmonresonans refererer til den specifikke resonanseffekt produceret af overfladeplasmoner, som er en samling af ladede svingninger - studiet af hvilke er kendt som nanoplasmonics. Mens et meget nyt forskningsområde, nanoplasmoniske effekter er blevet udnyttet i århundreder - farvede glasvinduer i middelalderlige katedraler skylder deres farve til overfladeplasmoner ophidset i metalnanopartikler indlejret i glasset.

På trods af de høje forventninger til nanoplasmonik inden for områder som informationsteknologi, sikkerhed, energi, højdensitetsdatalagring og biovidenskab, det har resulteret i relativt få praktiske anvendelser. En grund til dette skuffende resultat er, at metal nanostrukturer mister meget lys til absorption. "En dybere forståelse af disse resonanser har bragt en generel forståelse af store ulemper relateret til uundgåelige høje tab i resonante metalliske nanostrukturer, " kommenterer Kuznetsov. Desuden, metaller, der almindeligvis anvendes til plasmonics, såsom sølv og guld, er uforenelige med standardmetoder til fremstilling af halvlederkomponenter, gør dem svære at producere.

En stille revolution

Men nu er en stille revolution i gang på dette område. Fokus flyttes væk fra metaller og mod elektrisk isolerende og delvist isolerende materialer kendt som dielektriske stoffer og halvledere, som er 'optisk tætte', så lyset bevæger sig betydeligt langsommere i dem end i luften. Eksempler på sådanne materialer omfatter halvlederne silicium, germanium og galliumarsenid, og titaniumdioxid.

"Skiftet fra metaller til dielektrikum er allerede ved at ske, " siger Kuznetsov. "Mange førende teams inden for plasmonik er allerede begyndt at arbejde med resonans dielektriske nanostrukturer."

Selvom det stadig er i sin vorden, overgangen har afsløret mange fordele. "Efter demonstrationerne af resonans i dielektriske nanopartikler i 2012, feltet tog fart, " siger Kuznetsov. "Mange fordele i forhold til konventionel plasmonics er nu blevet fundet."

Fører an

Kuznetsov og hans team hos A*STAR er forrest i denne revolution. De anvender en trestrenget tilgang. "I mange tilfælde, vi genererer et teoretisk koncept, vise det i simuleringer og derefter demonstrere det eksperimentelt. Imidlertid, nogle gange sker den omvendte proces - uventede eksperimentelle observationer fører til teoriudvikling for at give deres fysiske forståelse, " forklarer Kuznetsov.

Holdmedlemmerne har realiseret nogle bemærkelsesværdige førstepladser på dette unge felt. Fysiker Boris Luk'yanchuk startede bolden med at rulle i 2010, da han og kolleger i Tyskland udgav et banebrydende papir, der viste, at teoretisk set, siliciumnanopartikler med størrelser fra 100 til 200 nanometer kan have både stærke elektriske og magnetiske resonanser ved frekvenser med synligt lys - et alternativ med lavt tab til plasmoniske nanostrukturer. I et efterfølgende papir, Luk'yanchuk, sammen med forskere i Australien, foreslået nye metal-dielektriske hybridstrukturer, hvor lys kunne forplante sig på grund af interaktioner af magnetiske momenter, hvilket ikke er muligt i kæder af metalliske partikler. Endelig i 2015, A*STAR-gruppen viste, at lignende typer af optisk inducerede interaktioner af magnetiske momenter findes i kæder af siliciumpartikler. "Sådanne magnetiske interaktioner af siliciumpartikler kan langt overgå bølgeledere baseret på plasmonik og konventionel siliciumfotonik, " siger Luk'yanchuk.

Luk'yanchuk, Kuznetsov og deres team har eksperimentelt demonstreret disse resonanser i siliciumnanopartikler. Holdet var også det første, der eksperimentelt viste unik retningsbestemt lysspredning af siliciumnanopartikler, som demonstrerer deres lovende nanoantenneegenskaber. Og forskerne var de første, der eksperimentelt viste stor forbedring af de elektriske og magnetiske lysfelter tæt på dielektriske antenner lavet af to siliciumnanopartikler placeret meget tæt på hinanden6.

Ifølge Google Scholar, papirerne, der beskriver disse resultater, er blevet citeret mere end 1, 000 gange, afspejler den enorme indvirkning, som teamets arbejde har haft på området. Sådan er deres ry på dette område, at en nylig anmeldelse, de skrev om det nye område, blev offentliggjort i det prestigefyldte tidsskrift Videnskab .

I en undersøgelse fra 2015, holdet, sammen med forskere fra Australien og Tyskland, eksperimentelt demonstreret en meget usædvanlig optisk effekt i nanoskalaskiver af silicium - strålingsmønstre, der ikke udsender eller spreder lys8. Sådanne strålingstilstande kunne bruges til at producere små nanoskala lasere. Holdet har også vist, hvordan arrays af sådanne siliciumskiver præcist kan kontrollere lysets fase og amplitude, tvinger den til at bøje, fokus, eller lav holografiske billeder i høj opløsning.

I 2016 Institute of Physics Singapore tildelte Luk'yanchuk World Scientific Physics Research Award og guldmedalje for hans enestående bidrag til fysikforskning i landet. Samme år, Kuznetsov blev valgt som modtager af Institution of Engineering and Technologys A F Harvey Engineering Research Prize for "hans fremragende bidrag inden for lasere og optoelektronik og hans banebrydende forskning i en ny gren af ​​nanofotonik:optisk resonans dielektriske nanostrukturer og dielektriske nanoantenner."

En lys fremtid

Holdet er begejstret for potentialet i dielektriske nanostrukturer. "Vi håber, at resonante dielektriske nanostrukturer endelig vil give anledning til virkelige applikationer fra resonans nanofotonik, " siger Kuznetsov. De forventer, at mange teknologiområder kan blive stærkt påvirket af denne udvikling.

"Tredimensionelle holografiske skærme til smartphones og højopløselige virtual- og augmented reality-enheder kan udvikles baseret på dielektriske nanoantenner. Substrater indeholdende resonante dielektriske nanopartikler kunne gøre biobilleddannelse og genomsekvensering mere effektiv og hurtigere. Og hurtige computere baseret på lys kan forekomme med resonans dielektriske nanopartikelkomponenter indeni, " siger Kuznetsov. "Nogle af disse nye og fantastiske applikationer kan blive til virkelighed i løbet af de næste 5 til 8 år, " forudsiger han. Selvom lys kan være forudsigeligt i store skalaer, fremtiden ser alt andet end tam ud for denne nye teknologi.