Genom att mäta ljusets unika egenskaper på skalan av en enda atom, forskare från Duke University och Imperial College, London, tror att de har karakteriserat gränserna för metallens förmåga i anordningar som förbättrar ljuset.

Detta område är känt som plasmonics eftersom forskare försöker dra fördel av plasmoner, elektroner som har "exciterats" av ljus i ett fenomen som ger elektromagnetisk fältförstärkning. Förbättringen som uppnås av metaller på nanoskala är betydligt högre än vad som kan uppnås med något annat material.

Tills nu, forskare har inte kunnat kvantifiera plasmoniska interaktioner i mycket små storlekar, och har därför inte kunnat kvantifiera de praktiska begränsningarna av ljusförbättring. Denna nya kunskap ger dem en färdplan för att exakt kontrollera ljusspridning som borde hjälpa till vid utvecklingen av enheter, såsom medicinska sensorer och integrerade fotoniska kommunikationskomponenter.

Vanligtvis, plasmoniska anordningar involverar interaktioner av elektroner mellan två metallpartiklar separerade på ett mycket kort avstånd. De senaste 40 åren, forskare har försökt ta reda på vad som händer när dessa partiklar förs närmare och närmare, på subnanometer avstånd.

"Vi kunde demonstrera noggrannheten i vår modell genom att studera den optiska spridningen från guldnanopartiklar som interagerar med en guldfilm, " sa Cristian Ciracì, postdoktor vid Duke's Pratt School of Engineering. "Våra resultat ger ett starkt experimentellt stöd för att sätta en övre gräns för den maximala fältförstärkningen som kan uppnås med plasmoniska system."

Resultaten av experimenten, som utfördes i David R Smiths laboratorium, William Bevan professor i el- och datateknik vid Duke, visas på omslaget till Vetenskap , 31 augusti, 2012.

Ciracì och hans team började med en tunn guldfilm belagd med ett ultratunt monolager av organiska molekyler, översållad med exakt kontrollerbara kolkedjor. Nanometriska guldsfärer spreds ovanpå monoskiktet. Väsentligt för experimentet var att avståndet mellan sfärerna och filmen kunde justeras med en precision av en enda atom. På detta sätt, forskarna kunde övervinna begränsningarna med traditionella metoder och få en fotonisk signatur med upplösning på atomnivå.

"När du vet maximal fältförbättring, du kan sedan ta reda på effektiviteten av alla plasmoniska system, ", sade Smith. "Det tillåter oss också att "justera" plasmonsystemet för att få exakta förutsägbara förbättringar, nu när vi vet vad som händer på atomnivå. Kontroll över detta fenomen har djupa konsekvenser för olinjär och kvantoptik."

Duke-teamet arbetade med kollegor på Imperial College, specifikt Sir John Pendry, som länge har samarbetat med Smith.

"Denna uppsats tar experiment bortom nano och utforskar vetenskapen om ljus på en skala av några tiondelar av en nanometer, diametern på en typisk atom, sa Pendry, fysiker och meddirektör för Center for Plasmonics and Metamaterials vid Imperial College. "Vi hoppas kunna utnyttja detta framsteg för att möjliggöra fotoner, normalt några hundra nanometer i storlek, att interagera intensivt med atomer som är tusen gånger mindre."