När du tittar upp mot himlen och ser moln av underbara former, eller kämpar för att titta genom tät, disig dimma, ser du resultatet av "Mie-spridning", vilket är vad som händer med ljus som interagerar med partiklar av en viss storlek. Det finns en växande mängd forskning som syftar till att manipulera detta fenomen och möjliggöra en rad spännande teknologier.
Nu, i en studie som nyligen publicerades i Nature Communications , har ett multiinstitutionellt forskarlag inklusive Osaka University övervunnit vad som ansågs vara grundläggande begränsningar för hur man kan förbättra effektiviteten av Mie-spridning. Artikeln har titeln "Multipole engineering by displacement resonance:a new grad of freedom of Mie resonance."
Forskare inom metafotonik använder fenomen som Mie-spridning för att generera enhetsutgångar som inte är möjliga med konventionella nanomaterial, till exempel lågeffektsövervakningsteknologi.
Men i många år har forskare trott att Mie-spridning endast kan manipuleras genom att ändra ljusets våglängd eller storleken på nanostrukturen det interagerar med. Att övervinna denna begränsning – genom att utvidga nya studier som fokuserade på anpassningen mellan lasern och nanostrukturerna – var målet med detta arbete.
"I vårt tillvägagångssätt felriktar vi den infallande lasern," förklarar Yu-Lung Tang, huvudförfattare till studien. "Med andra ord, vi förskjuter belysningspositionen på en nanometerskala från mitten av målnanostrukturen."
Genom att göra det fann forskarna att spridningen som kiselnanostrukturerna uppvisade berodde på omfattningen av felinriktningen av den hårt fokuserade lasern med centrum av nanostrukturen. En felinställning på endast 100 nanometer skulle kunna inducera den maximerade Mie-resonansspridningen som tidigare var skymd eftersom konventionell mikroskopi använder planvågsljusbelysning.
Dessa fynd kan öka effektiviteten hos optisk teknik. Teamets arbete kan till exempel hjälpa forskare att utveckla helt optiska transistorer, det vill säga transistorer som använder ljus istället för elektricitet och överträffar prestandan hos sina konventionella elektroniska motsvarigheter.
"Vi är glada eftersom vi har utökat grunderna i den hundraåriga ljusteorin om Mie-spridning", säger Junichi Takahara, senior författare. "Ansökningarna är omfattande och pågår för närvarande i vårt laboratorium."
Detta arbete är ett viktigt steg framåt i vår förståelse av interaktioner mellan ljus och materia. Dessutom är dessa resultat inte begränsade till kisel och den infallande lasern behöver inte ha en synlig våglängd, vilket uppmuntrar spännande framsteg inom metafotonik och för fantastiska teknologier som cloaking-enheter ett steg närmare verkligheten.
Mer information: Yu-Lung Tang et al, Multipole engineering by displacement resonance:a new grad of freedom of Mie resonance, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43063-y
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Osaka University
