Mikroskopiska kanaler av guld nanopartiklar har förmågan att överföra elektromagnetisk energi som börjar som ljus och fortplantar sig via "mörka plasmoner, "enligt forskare vid Rice University.

Ett nytt papper i American Chemical Society journal Nanobokstäver visar hur även oordnade samlingar av nanopartiklar i arrayer så tunna som 150 nanometer kan omvandlas till vågledare och sända signaler en storleksordning bättre än tidigare experiment kunde uppnå. Effektiv energiöverföring på mikrometerskalan kan avsevärt förbättra optoelektroniska enheter.

Stephan Links rislab, en biträdande professor i kemi och el- och datateknik, har utvecklat ett sätt att "skriva ut" fina linjer av guldnanopartiklar på glas. Dessa linjer av nanopartiklar kan överföra en signal från en nanopartikel till nästa över många mikroner, mycket längre än tidigare försök och ungefär lika med resultat som setts med guld nanotrådar.

Komplexa vågledargeometrier är mycket lättare att tillverka med nanopartikelkedjor, sa länk. Han och hans team använde en elektronstråle för att skära små kanaler till en polymer på ett glassubstrat för att ge nanopartikellinjerna sin form. Guldnanopartiklarna avsattes i kanalerna via kapillärkrafter. När resten av polymeren och herrelösa nanopartiklar tvättades bort, linjerna fanns kvar, med partiklarna bara några nanometer från varandra.

Plasmoner är vågor av elektroner som rör sig över ytan av en metall som vatten i en damm när de störs. Störningen kan orsakas av en yttre elektromagnetisk källa, såsom ljus. Intilliggande nanopartiklar kopplar ihop varandra där deras elektromagnetiska fält interagerar och låter en signal passera från en till en annan.

Link sa att mörka plasmoner kan definieras som de som inte har något nettodipolmoment, vilket gör att de inte kan kopplas till ljus. "Men dessa lägen är inte helt mörka, särskilt i närvaro av störningar, " sade han. "Även för subradiant lägen, det finns en liten dipolsvängning.

"Vårt argument är att om du kan koppla till dessa subradiantlägen, spridningsförlusten är mindre och plasmonutbredning upprätthålls över längre avstånd, " sa Link. "Därför, vi förbättrar energitransporten över mycket längre sträckor än vad som har gjorts tidigare med metall-partikelkedjor."

För att se hur långt, Link och hans team belade de 15 mikron långa linjerna med ett fluorescerande färgämne och använde en fotoblekningsmetod som utvecklats i hans labb för att mäta hur långt plasmonerna, exciteras av en laser i ena änden, sprida. "Dämpningen av plasmonförökningen är exponentiell, "sa han." Vid fyra mikron, du har en tredjedel av det initiala intensitetsvärdet.

"Medan detta utbredningsavstånd är kort jämfört med traditionella optiska vågledare, i miniatyriserade kretsar behöver man bara täcka små längdskalor. Det kan vara möjligt att så småningom applicera en förstärkare på systemet som skulle förlänga utbredningsavståndet, ", sa Link. "När det gäller vad folk trodde var möjligt med nanopartikelkedjor, vad vi har gjort är redan en betydande förbättring."

Link sa att silvernanotrådar har visat sig bära en plasmonvåg bättre än guld, så långt som 15 mikron, ungefär en sjättedel bredden på ett människohår. "Vi vet att om vi provar silvernanopartiklar, vi kan spridas mycket längre och förhoppningsvis göra det i mer komplexa strukturer, " sa han. "Vi kanske kan använda dessa nanopartikelvågledare för att länka till andra komponenter som nanotrådar i konfigurationer som annars inte skulle vara möjliga."