Atomer och molekyler kan göras för att avge fotoner. Dock, utan externt ingripande, denna process är ineffektiv och ostyrd. Om det var möjligt att påverka processen för bildande av foton när det gäller effektivitet och emissionsriktning, nya tekniska möjligheter skulle vara möjliga, inklusive små, multifunktionella ljuspixlar som kan användas för att bygga tredimensionella bildskärmar eller pålitliga enkelfotonkällor för kvantdatorer eller optiska mikroskop för att kartlägga enskilda molekyler.

"Optiska antenner" i nanometerstorlek är ett välkänt tillvägagångssätt. De kan sända fotoner i en specifik riktning med hög effektivitet. Idén går tillbaka till nobelpristagaren Richard P. Feynman som föreställde sig nanoskalaantenner under ett tal vid California Institute of Technology 1959.

Feynman var långt före sin tid, men han inspirerade till snabb utveckling inom nanoteknik, vilket gör det möjligt att bygga antenner för synligt ljus idag. Dimensionerna och strukturdetaljerna för sådana antenner kan kontrolleras exakt med en storlek på cirka 250 nanometer.

Underskotten på befintliga ljusantenner

Formen för dessa optiska antenner har tidigare inspirerats av etablerade modeller från radiokommunikation och radioteknik, som vanligtvis är gjorda av specialformade metalltrådar och metallstavar för våglängder i centimeterområdet. Det är möjligt att konstruera antenner för ljusvågor med metallnanoroder för att påverka skapandet och spridningen av fotoner, men analogin mellan radiovågor och ljusvågor är begränsad.

Medan makroskopiska radioantenner har en högfrekvent generator ansluten till antennen via kabel, länken i nanometerskalan för en ljusvågslängd måste vara kontaktlös. Men atomer och molekyler som fungerar som fotonkällor har inte anslutningskablar för att ansluta dem till en optisk antenn.

Det är denna stora skillnad, kombinerat med ett antal andra utmaningar orsakade av den höga ljusfrekvensen, vilket har gjort det hittills svårt att producera och därefter styra fotoner med optiska antenner på ett tillfredsställande sätt.

Fysiker från Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg i Bayern, Tyskland, har nu löst detta problem och upprättat en uppsättning regler för optimerade optiska antenner, som publicerades i Fysiska granskningsbrev .

De nya reglerna kan resultera i antenner för ljus som möjliggör exakt kontroll av fotonemission och efterföljande utbredning, åtminstone teoretiskt, enligt Thorsten Feichtner, en forskare vid JMU's Institute of Physics i professor Bert Hechts team.

Principen bakom de nya antennerna

"Tanken bakom detta bygger på likhetsprincipen, "förklarar Würzburg -fysikern." Det nya i vår forskning är att strömmarna för de fria elektronerna i antennen måste uppfylla två likhetskrav samtidigt. För det första, det aktuella mönstret i antennen måste likna fältlinjerna i direkt närhet av en ljusemitterande atom eller molekyl. För det andra, det nuvarande mönstret måste också matcha det homogena elektriska fältet i en planvåg så bra som möjligt så att varje foton kan nå en avlägsen mottagare. "

De nya antennerna för ljus byggda med hjälp av dessa nya regler extraherar mycket fler fotoner från en sändare än tidigare antenntyper som härrör från radioteknik.