Ett tvärvetenskapligt team vid Centre d'Elaboration de Matériaux et d'Etudes Structurales (CEMES, CNRS), arbetar i samarbete med fysiker i Singapore och kemister i Bristol (Storbritannien), har visat att kristallina guld-nanopartiklar som är inriktade och sedan smälts samman i långa kedjor kan användas för att begränsa ljusenergin till nanometerskalan samtidigt som dess långväga spridning möjliggörs. Deras arbete publicerades online på webbplatsen för Naturmaterial den 26 oktober.

Ljus kan användas för att överföra information. Denna fastighet är, till exempel, används i fiberoptik, och ger ett intressant alternativ till mikroelektronik. Användning av ljus ökar överföringshastigheten och minskar energiförlusten som orsakas av uppvärmning när en elektrisk signal används. Dock, flera hinder återstår att övervinna, i synnerhet miniatyrisering:optisk fiber gör det svårt att begränsa ljus inom volymer på mindre än en mikrometer (10 ^-6 meter).

Elektroner rör sig fritt genom metaller och börjar ibland svänga kollektivt på deras yta under inverkan av ljus, som i ädla metaller som guld och silver. Egenskaperna hos sådana kollektiva svängningar, känd som plasmoner, har under de senaste tjugo åren banat väg för subvåglängds (dvs mindre än en mikrometer) inneslutning av ljusenergi. Genom att överföra energin från fotoner till rörliga elektroner är det möjligt att transportera information i strukturer som är smalare än optiska fibrer. För att nå ännu större instängdhet, plasmonics fokuserar nu på de optiska egenskaperna hos kristallina nanopartiklar. Den släta kristallina ytan förhindrar att elektronsvängningarna störs och minskar energiförlusterna. Att utnyttja egenskaperna hos sådana nanopartiklar bör därför göra det möjligt att samtidigt uppnå inneslutningar i nanometerområdet och långtransport av information.

I den här studien, forskarna visade att när guldnanopartiklar med en diameter på tio nanometer är uppradade i en kedja, plasmonerna de bär genererar specifika svängningar som bidrar till mycket begränsad utbredning. Dock, energi går förlorad vid varje passage mellan två nanopartiklar. Även om denna egenskap kan utnyttjas för vissa tillämpningar som kräver mycket lokala värmekällor, speciellt inom medicin, det är inte gynnsamt för långväga spridning.

Forskarna smälte därför noggrant ihop nanopärlorna genom att fokusera en elektron med hög energi på dem, sålunda bildas ett kontinuerligt kristallint nätverk. De observerade att energiförlusten minskade och att plasmonerna var fria att svänga över mycket långa avstånd, medan de förblir begränsade inom nanopartiklarnas diameter. Inuti denna pärlsträng, som är bara tio nanometer bred, information kan sträcka sig så långt som 4000 nanometer.

En annan utmaning som framgångsrikt möttes i denna studie var att kartlägga, med exceptionell precision, de elektronsvängningar som observeras vid ytan av nanopartikelkedjan. Plasmons olika rörelsetyper karakteriserades med användning av en mikroskopiteknik som kallas elektronenergiförlustspektroskopi (EELS), vars mycket fina rumsliga och spektrala upplösning gjorde det möjligt för forskarna att föreslå en ny teoretisk modell av plasmonbeteende. Simuleringar baserade på denna modell återger experimenten med oöverträffad noggrannhet.

Detta jobb, som var resultatet av ett långvarigt samarbete med team i Bristol och Singapore, kan leda till extrem miniatyrisering av ljusstyrning och öppna vägen för applikationer för sensorer, till exempel inom solceller, och inom telekommunikation.