Forskere bremser og styrer lyset med resonante nanoantenner

Lys er notorisk hurtigt. Dens hastighed er afgørende for hurtig informationsudveksling, men som let lyner gennem materialer, dens chancer for at interagere og spændende atomer og molekyler kan blive meget små. Hvis videnskabsmænd kan bremse lette partikler, eller fotoner, det ville åbne døren til en lang række nye teknologiapplikationer.

Nu, i et papir offentliggjort den 17. august, i Natur nanoteknologi , Stanford-forskere demonstrerer en ny tilgang til langsomt lys betydeligt, ligesom et ekkokammer holder på lyd, og at lede det efter behag. Forskere i Jennifer Dionnes laboratorium, lektor i materialevidenskab og teknik ved Stanford, strukturerede ultratynde siliciumchips i nanoskala-stænger for at fange lys i resonans og derefter frigive eller omdirigere det senere. Disse "højkvalitetsfaktor" eller "høj-Q" resonatorer kunne føre til nye måder at manipulere og bruge lys på, herunder nye applikationer til kvanteberegning, virtual reality og augmented reality; lys-baseret WiFi; og endda påvisning af vira som SARS-CoV-2.

"Vi forsøger i bund og grund at fange lys i en lille kasse, der stadig tillader lyset at komme og gå fra mange forskellige retninger, " sagde postdoc-stipendiat Mark Lawrence, som også er hovedforfatter på papiret. "Det er nemt at fange lys i en kasse med mange sider, men ikke så let, hvis siderne er gennemsigtige - som det er tilfældet med mange siliciumbaserede applikationer."

Fremstille og fremstille

Før de kan manipulere lys, resonatorerne skal fremstilles, og det giver en række udfordringer.

En central komponent i enheden er et ekstremt tyndt lag silicium, som fanger lys meget effektivt og har lav absorption i det nær-infrarøde, lysspektret, forskerne ønsker at kontrollere. Siliciumet hviler oven på en wafer af gennemsigtigt materiale (safir, i dette tilfælde), hvori forskerne dirigerer et elektronmikroskop "pen" for at ætse deres nanoantennemønster. Mønsteret skal tegnes så glat som muligt, da disse antenner tjener som væggene i ekkokammer-analogien, og ufuldkommenheder hæmmer evnen til at fange lyset.

"Høj-Q-resonanser kræver skabelsen af ​​ekstremt glatte sidevægge, der ikke tillader lyset at lække ud, " sagde Dionne, som også er Senior Associate Vice Provost of Research Platforms/Shared Facilities. "Det kan opnås ret rutinemæssigt med strukturer i større mikronskala, men er meget udfordrende med nanostrukturer, der spreder lys mere."

Mønsterdesign spiller en nøglerolle i skabelsen af ​​high-Q nanostrukturer. "På en computer, Jeg kan tegne ultraglatte linjer og blokke af enhver given geometri, men fremstillingen er begrænset, " sagde Lawrence. "I sidste ende, vi var nødt til at finde et design, der gav god lysindfangende ydeevne, men som var inden for rammerne af eksisterende fremstillingsmetoder."

Høj kvalitet (faktor) applikationer

At tude med designet har resulteret i, hvad Dionne og Lawrence beskriver som en vigtig platformsteknologi med adskillige praktiske anvendelser.

Enhederne demonstrerede såkaldte kvalitetsfaktorer op til 2, 500, hvilket er to størrelsesordener (eller 100 gange) højere end nogen lignende enheder tidligere har opnået. Kvalitetsfaktorer er et mål, der beskriver resonansadfærd, som i dette tilfælde er proportional med lysets levetid. "Ved at opnå kvalitetsfaktorer i tusindvis, vi er allerede i en dejlig sweet spot fra nogle meget spændende teknologiske applikationer, " sagde Dionne.

For eksempel, biosensing. Et enkelt biomolekyle er så lille, at det i det væsentlige er usynligt. Men at sende lys over et molekyle hundreder eller tusinder af gange kan i høj grad øge chancen for at skabe en påviselig spredningseffekt.

Dionnes laboratorium arbejder på at anvende denne teknik til at detektere COVID-19-antigener - molekyler, der udløser et immunrespons - og antistoffer - proteiner produceret af immunsystemet som reaktion. "Vores teknologi ville give en optisk udlæsning, som lægerne og klinikerne er vant til at se, " sagde Dionne. "Men vi har mulighed for at detektere en enkelt virus eller meget lave koncentrationer af et væld af antistoffer på grund af de stærke lys-molekyle interaktioner." Designet af high-Q nanoresonatorerne gør det også muligt for hver antenne at fungere uafhængigt af opdage forskellige typer antistoffer samtidigt.

Selvom pandemien ansporede hendes interesse for virusdetektion, Dionne er også begejstret for andre applikationer, såsom LIDAR – eller lysdetektion og afstandsmåling, som er laserbaseret afstandsmålingsteknologi, der ofte bruges i selvkørende køretøjer — som denne nye teknologi kunne bidrage til. "For et par år siden kunne jeg ikke have forestillet mig de enorme applikationsrum, som dette arbejde ville berøre, " sagde Dionne. "For mig, dette projekt har forstærket vigtigheden af ​​grundforskning – man kan ikke altid forudsige, hvor grundvidenskaben vil hen, eller hvad den vil føre til, men det kan give kritiske løsninger til fremtidige udfordringer."

Denne innovation kan også være nyttig inden for kvantevidenskab. For eksempel, spaltning af fotoner for at skabe sammenfiltrede fotoner, der forbliver forbundet på et kvanteniveau, selv når de er langt fra hinanden, vil typisk kræve store optiske eksperimenter på bordpladen med store dyre, præcist polerede krystaller. "Hvis vi kan gøre det, men brug vores nanostrukturer til at styre og forme det sammenfiltrede lys, måske har vi en dag en sammenfiltringsgenerator, som du kan holde i hånden, " sagde Lawrence. "Med vores resultater, vi er spændte på at se på den nye videnskab, der er opnåelig nu, men også forsøge at skubbe grænserne for, hvad der er muligt."