Berkeley Lab-forskare har konstruerat en ny klass av bowtie-formade enheter som fångar, filtrera och styra ljuset i nanoskala. Dessa "nano-färgsorterande" enheter fungerar som antenner för att fokusera och sortera ljus i små utrymmen, en användbar teknik för skörd av bredbandsljus för färgkänsliga filter och detektorer.

För närvarande, optiska fibrer använder ljus för att transportera data med mycket hög bandbredd, men tekniken träffar en vägspärr när ljuset pressas in i mindre och mindre fotoniska kretsar. Denna vägspärr är diffraktionsgränsen - en grundläggande begränsning för att koncentrera fotoner till områden som är mindre än hälften av deras våglängd. I kontrast, elektroniska apparater är lätt utformade i nanometer skala; dock, elektronisk dataöverföring fungerar vid frekvenser långt under de för fiberoptik, med mycket lägre bandbredd, minska mängden data som transporteras.

En ny teknik, myntade "plasmonik, "tränger in elektromagnetiska vågor i metallstrukturer med dimensioner som är mycket mindre än ljusets våglängd för överföring av data vid optiska frekvenser, gifta sig med de bästa aspekterna av optisk och elektronisk kommunikation. En särskilt lovande klass av strukturer för att förstärka denna trängseleffekt är optiska antanor i nanoskala av guld, som utnyttjar plasmoniskt beteende för att effektivt fånga och begränsa ljus i små dimensioner.

"Som antennen på din TV eller radio, optiska nanoantenner som effektivt fångar upp och koncentrerar energi, men våglängderna är mycket mindre, "säger Jim Schuck, en personalvetare inom Molecular Foundry, en amerikansk energidepartementets nationella användaranläggning vid Berkeley Lab som ger stöd till nanovetenskapliga forskare runt om i världen.

"Vi har gjort den första konstruerade och nanofabricerade strukturen för nanoskala ljusdistribution som kan skicka och manipulera ultra-begränsad optisk information med en ratt som du enkelt kan ställa in-ljusets energi eller färg, säger Schuck, som arbetar inom Foundry's Imaging and Manipulation of Nanostructures Facility.

Molekylär gjuteri postdoktoral forskare Zhaoyu Zhang, samarbetar med Schuck och Nanofabrication Facility Director Stefano Cabrini, tillverkade nanoantenner från fyra liksidiga trianglar av guld litografiskt mönstrade för att skapa en "kors" geometri.

Att bryta symmetrin hos denna korsformade enhet påverkar dess primära resonansläge - en egenskap som bäst illustreras av att en champagneflöjta splittras när den möter en musikalisk ton i rätt tonhöjd. I dessa kors nanoantenner, resonanslägena motsvarar olika frekvenser, eller färger, av ljus.

"Vi kan nu kontrollera de plasmoniska egenskaperna hos dessa enheter genom att införa asymmetri, och vi finner rött och blått ljus bokstavligen skickas till vänster och höger, "säger Zhang." Genom att skjuta gränserna för att manipulera ljus i en mindre volym, vi kan snabbt och effektivt flytta information till en eller annan plats, vilket är viktigt för snabbt, färgkänslig fotodetektion. "

Verkligen, flytta den vertikalt inriktade fluga i korset nanoantenna bara fem nanometer kvar från mitten genererar två resonanslägen, producerar ett tvåfärgsfilter. Teamet visade vidare denna effekt genom att bryta andra symmetrier hos bowties, vilket leder till ett trefärgsfilter. Denna symmetribrytning ger forskare möjligheten att "autojustera" en enhet till en önskad uppsättning färger eller energier, avgörande för filter och andra detektorer. Med hjälp av de nanofabrication -funktioner som finns tillgängliga på gjuteriet, forskarna planerar att utforska justering av storleken, form, och buntarnas position för att optimera enhetens egenskaper. Till exempel, tusentals bowties kunde packas i ett område mindre än en millimeter över, möjliggör stora, men supersnabbt, detektoruppsättningar.

"Våra resultat ger insikt i sambandet mellan enkel symmetribrytning och de koherenta kopplingsegenskaperna hos lokaliserade plasmoner, tillhandahålla en väg för konstruktion av invecklade enheter som kan styra ljus i extremt trånga utrymmen, "Tillägger Schuck.

Ett vetenskapligt papper som rapporterar denna forskning med titeln "Manipulera nanoskala ljusfält med den asymmetriska bowtie nano-färgsorteraren, "av Zhaoyu Zhang, Alexander Weber-Bargioni, Shiwei Wu, Scott Dhuey, Stefano Cabrini och James Schuck, visas i Nano Letters och finns i Nano bokstäver uppkopplad.

Källa:Lawrence Berkeley National Laboratory (nyheter:webb)