Spektroskopi är användningen av ljus för att analysera fysiska föremål och biologiska prover. Olika typer av ljus kan ge olika typer av information. Vakuum ultraviolett ljus är användbart eftersom det kan hjälpa människor inom ett brett spektrum av forskningsområden, men genereringen av det ljuset har varit svårt och dyrt. Forskare skapade en ny enhet för att effektivt generera denna speciella typ av ljus med hjälp av en ultratunn film med perforeringar i nanoskala.

Våglängderna av ljus du ser med dina ögon utgör bara en bråkdel av de möjliga våglängder av ljus som finns. Det finns infrarött ljus som du kan känna i form av värme, eller se om du råkar vara en orm, som har längre våglängd än synligt ljus. I den motsatta änden finns ultraviolett (UV) ljus som du kan använda för att producera D-vitamin i din hud, eller se om du råkar vara ett bi. Dessa och andra former av ljus har många användningsområden inom vetenskapen.

Inom UV-området finns en undergrupp av våglängder som kallas vakuum ultraviolett ljus (VUV), så kallade eftersom de lätt absorberas av luft men kan passera genom ett vakuum. Vissa VUV-våglängder i området runt 120-200 nanometer är särskilt användbara för forskare och medicinska forskare eftersom de kan användas för kemiska och fysikaliska analyser av olika material och till och med biologiska prover.

Dock, det finns mer i ljus än en våglängd. För att VUV verkligen ska vara användbar, den måste också vridas eller polariseras på ett sätt som kallas cirkulär polarisering. Befintliga metoder för att producera VUV, som att använda partikelacceleratorer eller laserdrivna plasma, har många nackdelar, inklusive kostnad, skala och komplexitet. Men också, dessa kan endast producera otvinnad linjärpolariserad VUV. Om det fanns ett enkelt sätt att göra cirkulär polariserad VUV, det skulle vara oerhört fördelaktigt. Biträdande professor Kuniaki Konishi från Institutet för fotonvetenskap och teknologi vid University of Tokyo och hans team kanske bara har svaret.

"Vi har skapat en enkel enhet för att omvandla cirkulärt polariserat synligt laserljus till cirkulärt polariserat VUV, vriden i motsatt riktning, ", sade Konishi. "Vårt fotoniska kristall dielektriska nanomembran (PCN) består av ett ark tillverkat av en aluminiumoxidbaserad kristall (ℽ-Al2O3) endast 48 nm tjock. Den sitter ovanpå ett 525 mikrometer tjockt ark av kisel som har 190 nm breda hål utskurna i sig 600 nm från varandra."

För våra ögon ser PCN-membranet bara ut som en platt yta utan särdrag, men under ett kraftfullt mikroskop kan mönstret av perforeringar ses. Det ser lite ut som hålen i ett duschmunstycke som ökar vattentrycket för att göra strålar.

"När pulser av cirkulärt polariserat blått laserljus med en våglängd på 470 nm lyser ner i dessa kanaler i kisel, PCN verkar på dessa pulser och vrider dem i motsatt riktning, ", sa Konishi. "Den krymper också deras våglängder till 157 nm, vilket är väl inom området för VUV som är så användbart i spektroskopi."

Med korta pulser av cirkulärt polariserad VUV, forskare kan observera snabba eller kortlivade fysiska fenomen på submikrometerskalan som annars är omöjliga att se. Sådana fenomen inkluderar beteendet hos elektroner eller biomolekyler. Så denna nya metod för att generera VUV kan vara användbar för forskare inom medicin, biovetenskap, molekylär kemi och fasta tillståndets fysik. Även om en liknande metod har visats tidigare, det producerade mindre användbara längre våglängder, och gjorde det med hjälp av en metallbaserad film som är utsatt för snabb nedbrytning i närvaro av laserljus. PCN är mycket mer robust för detta.

"Jag är glad att genom vår studie av PCN, vi hittade en ny och användbar applikation för omvandling av cirkulärt polariserat ljus, genererar VUV med den intensitet som krävs för att göra den idealisk för spektroskopi, ", sa Konishi. "Och det var förvånande att PCN-membranet kunde överleva det upprepade bombardementet av laserljus, till skillnad från tidigare metallbaserade enheter. Detta gör den lämplig för laboratorieanvändning där den kan användas flitigt under långa perioder. Vi gjorde det här för grundläggande vetenskap och jag hoppas att många typer av forskare drar nytta av vårt arbete."