Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har utvecklat den första miniatyrlasern där ljuset styrs längs golvet i en öppen metallisk dike. Lasern kan fungera som en nanoskala för att känna av små mängder föroreningar och andra kemikalier i miljön, eller detektera ytbindningen av biomolekyler för medicinsk diagnostik.

Wenqi Zhu från NIST och University of Maryland, tillsammans med NIST -fysiker Henri Lezec och Amit Agrawal, beskrev deras arbete i en ny utgåva av Science Advances. Arbetet utfördes i samarbete med Nanjing University i Kina och University of Michigan.

Utvecklingen av den nya lasern bygger på interaktionen mellan fotoner - ljuspartiklar - och havet av elektroner som flyter längs ytan av en metall. Interaktioner mellan fotonerna och krusningarna i elektronhavet ger en speciell typ av ljusvåg, kallad en ytplasmon polariton (SPP), som är tätt begränsad till att endast resa längs metallens yta. Denna inneslutning gör SPP:erna mycket känsliga för allt som ligger på metallytan.

Som ett första steg mot att bygga miniatyrlasern, laget formade av silver en liten grävformad öppen hålighet där SPP:ar kan resonera. Hålrummet är en plan yta flankerad av små, spegelliknande sidoväggar som reflekterar ytvågorna fram och tillbaka.

Genom noggrann tillverkning, resonanshålan hade två nyckelegenskaper:alla dess inre ytor var släta i atomskala, varierar i tjocklek med högst några nanometer, och dess sidoväggar var vinkelräta med avseende på det plana kavitetsgolvet. Designen, möjliggjort genom att forma silver med en exakt mönstrad kiselmall, gjorde det möjligt för SPP:erna att studsa fram och tillbaka över kaviteten hundratals gånger utan att förlora betydande energi, som en gitarrsträng som håller en ren ton länge. Den egendomen, känd som hög kvalitetsfaktor, eller hög Q, är avgörande för konstruktion av en laser. Q uppmätt av teamet är den högsta hittills för någon synlig ljusresonator som endast använder SPP.

Den höga Q möjliggjorde också att kaviteten fungerade som ett extremt selektivt filter för SPP - bara de med våglängder som föll inom ett smalt band kunde resonera i hålrummet. Det smala intervallet är viktigt eftersom det gör det möjligt för resonanshålrummet (redan innan det blev en del av en laser) att bli en mycket känslig detektor för små förändringar i sin omgivning - närvaron av partiklar eller tillsats av en tunn film till hålighetens golv . Sådana förändringar förskjuter mitten av bandet med våglängder som kommer att resonera i hålrummet.

"Genom att uppnå en smal resonans, skiftet i våglängd är tydligt, och det öppna hålrummet kan fungera som en utsökt känslig detektor, sa Lezec.

Efter att ha visat att kaviteten kunde användas som en sensor, laget arbetade sedan med att förvandla sin design till en laser. De gjorde det genom att lägga till en ultratunn beläggning i hålrummet som förstärkte intensiteten hos SPP som reser genom strukturen. Detta är den första nanoskala -lasern som någonsin konstruerats genom att manipulera en SPP som färdas på en enda plan metallyta, Lezec noterade.

Simuleringar tyder på att SPP -lasern kan bli en ännu mer känslig detektor för biologiska, kemiska och miljömaterial än att bara använda resonanshålan. Laserens design gör det också möjligt att enkelt integrera den i en fotonisk krets och kan också möjliggöra nya studier av kvantplasmonik, materiens nanoskala interaktion med ljusets kvantegenskaper.