Guld. Ordet för tankarna till vigselringar, begravd skatt och Kalifornien på 1840-talet. Men när guld reduceras till 1/100, 000 storleken på ett människohår, det får en helt ny personlighet.

Genom att fästa guldnanopartiklar på ytan av en mikrolaser, forskare vid USC Viterbi School of Engineering visade en frekvenskam som tar mindre plats och kräver 1000 gånger mindre kraft än nuvarande kamteknologi.

En frekvenskam är en enhet som kan skapa en regnbåge av ljus från en enda färg. Dessa enheter har använts för att förbättra cybersäkerheten, upptäckt av giftiga kemikalier, och GPS. Dock, dessa industriella kammar genereras med hjälp av stora system som kräver watts ineffekt. För att skapa mindre system som kan möjliggöra bostads- eller bärbara applikationer, effektkraven för våglängdsgenerering och enhetens storlek måste reduceras avsevärt.

Forskargruppen ledd av Andrea Armani, professor vid Mork Family Institutionen för kemiteknik och materialvetenskap, har visat frekvenskammar som bara kräver milliwatt ineffekt genom att fästa guldnanorods på ytan av en enda mikrolaser. Interaktionen av ljuset från mikrolasern med guldpartiklarna resulterar i att många ytterligare våglängder genereras. Denna process förbättras ytterligare av en polymerbeläggning på nanopartiklarna. Effektminskningen minskar systemets fotavtryck och tar tekniken från labbet till verkliga applikationer där både strömförbrukning och storlek är viktiga.

"Dessa resultat exemplifierar vad som kan hända om forskare från olika fält samarbetar kring ett grundläggande vetenskapligt problem som har tillämpad forskningseffekt, sade Armani, Ray Irani-stolen i teknik och materialvetenskap, vars labb är en del av det nya USC Michelson Center for Convergent Bioscience.

"Genom att kombinera expertis inom optik och nanomaterial, vi gjorde exceptionellt snabba framsteg som utmanade och motbevisade den konventionella tanken på området att guldnanopartiklar skulle vara skadliga för lasern."

Medförfattaren Vinh Diep beskriver projektet som att man använder innovationer inom nanomaterial för att lösa ett integrerat optikproblem.

"Guldnanorodarnas roll är att öka intensiteten av ljuset som cirkulerar i enheten, "Sade Diep. "Ljuset med högre intensitet kan sedan interagera med organiska molekyler på ytan av guldet för att generera andra våglängder av ljus. Denna kombinerade effekt gör det möjligt för kamgenereringen att börja med en mycket lägre effekt än den traditionella pulsade lasermetoden."

Diep, en doktorand i materialvetenskap, förklarade att en frekvenskam som innehåller många emissionsvåglängder över ett stort våglängdsområde är fördelaktigt. Genom att använda nanorodbeläggningen i guld, forskargruppen observerade en kam som kan sträcka sig över ett våglängdsområde på 300 nanometer. Utan guld nanorods, en kam kunde inte genereras med samma effekt.

Att demonstrera ett stort utbud visar enhetens starka potential för tillämpningar för att utveckla ett bärbart kemiskt spektroskopisystem, där den kemiska signalen endast uppträder vid en specifik våglängd, och noggrannheten är beroende av ljuskällan.

Forskningen leddes av Vinh Diep och Rigoberto Castro-Beltrán, en USC-Conacyt Scholar vid University of Guanajuato. Ytterligare inblandade ingenjörsforskare var doktoranden Soheil Soltani och postdoktorn Eda Gungor. Studien har godkänts för publicering i ACS Fotonik .