Forskare vid ETH Zürich har utvecklat en miniatyrenhet som kan producera laserliknande strålar av en speciell typ av elektromagnetisk våg som kallas ytplasmon. Ytplasmoner kan fokuseras mycket hårdare än ljusvågor, vilket gör dem användbara för applikationer som avkänning.

När ljus är instängt mellan två delvis reflekterande speglar och förstärks av något material mellan dem, den resulterande strålen kan vara extremt ljus och ha en enda färg. Detta är arbetsprincipen för lasern, ett verktyg som används inom alla områden av det moderna livet från DVD-spelaren till operationssalen.

Forskare vid ETH Zürich under ledning av David Norris, professor vid Optical Materials Engineering Laboratory, och prof. Dimos Poulikakos, professor vid Laboratory of Thermodynamics in Emerging Technologies, har utvecklat en miniatyranordning som tillämpar samma princip på så kallade ytplasmoner. De elektromagnetiska vågorna som skapas av en sådan ytplasmonlaser, eller "spaser", kan fokuseras mycket hårdare än ljus, vilket gör dem intressanta både för grundforskning och för tekniska tillämpningar som avkänning.

Ett litet hålrum för ytplasmoner

I motsats till vanliga ljusvågor, som fortplantar sig fritt inuti ett genomskinligt material, ytplasmoner består av elektromagnetiska vågor som är tätt bundna till krusningar i fördelningen av elektroner på ytan av en metall. De optiska effekterna av ytplasmoner kan beundras, till exempel, i de målade fönstren i medeltida katedraler. Där, plasmoner som genereras på metalliska nanopartiklar inuti glaset av det inkommande ljuset ger fönstren deras säregna och livfulla färger.

ETH-teamet har nu skapat motsvarigheten till en laserkavitet för ytplasmoner genom att konstruera extremt släta silverytor, ovanpå två lätt böjda silverblock, några mikrometer på längden och bara en halv mikrometer på höjden, är placerad. Dessa mikroblock fungerar som motsvarigheten till speglarna i en laser. Mellan blocken kan ytplasmoner studsa fram och tillbaka många gånger. Till sist, den förstärkning som krävs för att erhålla en spaser beam tillhandahålls av kvantprickar som är placerade inuti kaviteten. Kvantprickar är små halvledarpartiklar som beter sig på samma sätt som enskilda atomer (de kallas ibland "konstgjorda atomer") och kan produceras för att förstärka elektromagnetiska vågor vid en önskad frekvens.

Forskarna injicerade kvantprickarna i spaserhåligheten genom att lösa upp dem i en vätska som sedan trycktes med nanometerprecision på silverytan genom ett litet munstycke, med hjälp av en teknik utvecklad i Poulikakos labb. När hålrummet och kvantprickarna väl var på plats, ytplasmoner kunde injiceras i spasern genom att lysa laserljus på kvantprickarna.

Ytterligare förstärkning möjlig

"I vårt arbete har vi försökt att integrera de grundläggande delarna av en spaser i en enda liten enhet", förklarar Jian Cui, en senior postdoktor i Norris grupp och författare till studien som nyligen publicerats i den vetenskapliga tidskriften Vetenskapens framsteg . Förutom spaserhåligheten och förstärkningsmaterialet, forskarna inkluderade också en förstärkare som använder kvantprickar för att ytterligare öka ljusstyrkan hos ytplasmonstrålen när den lämnar kaviteten.

Förstärkaren har en triangulär form, så att plasmonerna inte bara förstärks, men också fokuserat på en nanometerstor spets. Där, de elektromagnetiska vågorna är koncentrerade till en volym som är mycket mindre än den minsta storlek som vanligt ljus skulle kunna fokuseras på. Denna funktion kan användas i framtiden, till exempel, för mycket känslig detektion av biologiska molekyler.

Mot integrerade kretsar med spasers

Nu när de har visat att deras miniatyr spaser fungerar, ETH-forskarna arbetar redan med nästa logiska steg. "Våra tillverkningsmetoder är mycket reproducerbara och mångsidiga, så vi kan nu tänka på att skapa integrerade kretsar med flera element:spasers, förstärkare, avkänningsregioner, och så vidare", säger professor Norris.

Det nya tillvägagångssättet har flera fördelar jämfört med tidigare försök att realisera spasers. Tidigare tekniker använde en metallisk partikel som kaviteten, som inte tillät utdragning av spaserbalken. Proceduren som utvecklats vid ETH använder en plan film med integrerade speglar, vilket ger forskarna större valfrihet när det gäller storleken och geometrin på kaviteten, samtidigt som de låter dem studera ytplasmonerna direkt.