(PhysOrg.com) - Forskare har visat hur matriser med små "plasmoniska nanoantenner" kan exakt manipulera ljus på nya sätt som kan möjliggöra en rad olika optiska innovationer, till exempel kraftfullare mikroskop, telekommunikation och datorer.

Forskarna vid Purdue University använde nanoantennerna för att plötsligt ändra en ljusegenskap som kallas dess fas. Ljus överförs som vågor som är analoga med vattenvågor, som har höga och låga poäng. Fasen definierar dessa höga och låga ljuspunkter.

"Genom att plötsligt ändra fasen kan vi dramatiskt ändra hur ljus sprider sig, och det öppnar möjligheten för många potentiella applikationer, "sade Vladimir Shalaev, vetenskaplig chef för nanofotonik vid Purdues Birck Nanotechnology Center och en framstående professor i el- och datateknik.

Resultaten beskrivs i en artikel som ska publiceras online i torsdag (22 december) i tidningen Vetenskap .

Det nya arbetet på Purdue utökar resultaten av forskare under ledning av Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i tillämpad fysik och Vinton Hayes senior forskare i elektroteknik vid Harvard School of Engineering and Applied Sciences. I det arbetet, beskrivs i en Science Science -rapport från oktober, Harvard -forskare modifierade Snells lag, en lång hållbar formel som används för att beskriva hur ljus reflekterar och bryts, eller böjar, samtidigt som det går från ett material till ett annat.

"Det de påpekade var revolutionerande, Sa Shalaev.

Tills nu, Snells lag har antytt att när ljus passerar från ett material till ett annat finns det inga abrupta fasförändringar längs gränssnittet mellan materialen. Harvard -forskare, dock, genomfört experiment som visar att ljusfasen och förökningsriktningen kan ändras dramatiskt genom att använda nya typer av strukturer som kallas metamaterial, som i detta fall var baserade på en rad antenner.

Purdue -forskarna tog arbetet ett steg längre, skapa matriser av nanoantenner och ändra ljusets fas och förökningsriktning över ett brett spektrum av nära-infrarött ljus. Arbetet skrevs av doktorander Xingjie Ni och Naresh K. Emani, huvudforskare Alexander V. Kildishev, biträdande professor Alexandra Boltasseva, och Shalaev.

Våglängdsstorleken som manipuleras av antennerna i Purdue -experimentet sträcker sig från 1 till 1,9 mikron.

"Det nära infraröda, specifikt en våglängd på 1,5 mikron, är avgörande för telekommunikation, "Sade Shalaev." Information överförs över optiska fibrer med denna våglängd, vilket gör denna innovation potentiellt praktisk för framsteg inom telekommunikation. "

Harvard -forskarna förutspådde hur man skulle ändra Snells lag och demonstrerade principen vid en våglängd.

"Vi har utökat Harvard -teamets applikationer till nära infrarött, vilket är viktigt, och vi visade också att det inte är en enda frekvenseffekt, det är en mycket bredbandseffekt, "Shalaev sa." Att ha en bredbandseffekt erbjuder potentiellt en rad tekniska applikationer. "

Innovationen kan ge teknik för styrning och formning av laserstrålar för militära och kommunikationsapplikationer, nanokretsar för datorer som använder ljus för att behandla information, och nya typer av kraftfulla linser för mikroskop.

Avgörande för framstegen är förmågan att förändra ljus så att det uppvisar "avvikande" beteende:särskilt, det böjer sig på sätt som inte är möjligt att använda konventionella material genom att radikalt ändra dess brytning, en process som sker som elektromagnetiska vågor, inklusive ljus, böj när det går från ett material till ett annat.

Forskare mäter denna strålningsböjning med dess "brytningsindex". Refraktion orsakar den böjda-stick-i-vatten-effekten, som uppstår när en pinne placerad i ett glas vatten verkar böjd när den ses utifrån. Varje material har sitt eget brytningsindex, som beskriver hur mycket ljus som kommer att böja i just det materialet. Alla naturmaterial, som glas, luft och vatten, har positiva brytningsindex.

Dock, nanoantenna -matriserna kan få ljus att böja i ett stort antal vinklar inklusive negativa brytningsvinklar.

"Viktigt, sådan dramatisk avvikelse från den konventionella Snells lag som reglerar reflektion och brytning uppstår när ljus passerar genom strukturer som faktiskt är mycket tunnare än bredden på ljusets våglängder, som inte är möjligt med naturmaterial, "Sade Shalaev." Också, inte bara böjningseffekten, refraktion, men också reflektion av ljus kan dramatiskt modifieras av antennmatriserna på gränssnittet, som experimenten visade. "

Nanoantennerna är V-formade strukturer gjorda av guld och formade ovanpå ett kiselskikt. De är ett exempel på metamaterial, som vanligtvis inkluderar så kallade plasmoniska strukturer som leder moln av elektroner som kallas plasmoner. Antennerna själva har en bredd på 40 nanometer, eller miljarddels meter, and researchers have demonstrated they are able to transmit light through an ultrathin "plasmonic nanoantenna layer" about 50 times smaller than the wavelength of light it is transmitting.

"This ultrathin layer of plasmonic nanoantennas makes the phase of light change strongly and abruptly, causing light to change its propagation direction, as required by the momentum conservation for light passing through the interface between materials, " Shalaev said.