Genom att arrangera optiskt avstämda guldskivor i ett tätt placerat mönster, Forskare från Rice University skapade intensiva elektriska fält och förbättrade systemets olinjära optiska egenskaper. Här visar en datormodell de plasmoniska interaktionerna som ger upphov till de intensiva fälten. Upphovsman:Yu Zhang/Rice University
Rice University forskare har presenterat en robust ny metod för att arrangera metall nanopartiklar i geometriska mönster som kan fungera som optiska processorer som omvandlar inkommande ljussignaler till utmatning av en annan färg. Genombrottet av ett team av teoretiska och tillämpade fysiker och ingenjörer vid Rices laboratorium för nanofotonik (LANP) beskrivs denna vecka i Förfaranden från National Academy of Sciences .
Rices team använde metoden för att skapa en optisk enhet där inkommande ljus kunde styras direkt med ljus via en process som kallas "blandning med fyra vågor". Fyravågsblandning har studerats i stor utsträckning, men Rices skivmönstringsmetod är den första som kan producera material som är skräddarsydda för att utföra fyrvågsblandning med ett brett spektrum av färgade ingångar och utgångar.
"Mångsidighet är en av fördelarna med denna process, "sa studiemedförfattaren Naomi Halas, direktör för LANP och Rices Stanley C. Moore professor i elektroteknik och datorteknik och professor i biomedicinsk teknik, kemi, fysik och astronomi. "Det gör att vi kan blanda färger på ett väldigt generellt sätt. Det betyder inte bara att vi kan skicka in balkar i två olika färger och få ut en tredje färg, men vi kan finjustera arrangemangen för att skapa enheter som är skräddarsydda för att acceptera eller producera ett brett spektrum av färger. "
Informationen som sker på dagens datorer, smartphones och surfplattor är elektroniska. Var och en av miljarder transistorer i ett datorchip använder elektriska ingångar för att agera på och modifiera de elektriska signalerna som passerar genom det. Att bearbeta information med ljus istället för elektricitet kan möjliggöra datorer som är både snabbare och mer energieffektiva, men att bygga en optisk dator kompliceras av de kvantregler som ljuset lyder.
Fysiker och ingenjörer från Rices laboratorium för nanofotonik har presenterat en robust ny metod för att arrangera metallnanopartiklar i geometriska mönster som kan fungera som optiska processorer som omvandlar inkommande ljussignaler till utmatning av en annan färg. Upphovsman:Yu Zhang/Rice University
"I de flesta fall, en ljusstråle kommer inte att interagera med en annan, "sa LANP -teoretiska fysikern Peter Nordlander, medförfattare till den nya studien. "Till exempel, om du tänder en ficklampa på en vägg och du korsar den strålen med strålen från en andra ficklampa, det spelar ingen roll. Ljuset som kommer ut ur den första ficklampan kommer att passera, oberoende av ljuset från det andra.
"Detta ändras om ljuset färdas i ett 'olinjärt medium, '"sa han." De ickelinjära mediets elektromagnetiska egenskaper är sådana att ljuset från en stråle kommer att interagera med en annan. Så, om du lyser de två ficklamporna genom ett olinjärt medium, strålens intensitet från den första ficklampan kommer att reduceras proportionellt mot intensiteten hos den andra strålen. "
Guldskivor som är inställda för att fånga energin från två inkommande ljusstrålar kan producera en tredje färg. Här visar en datoranimation hur den elektromagnetiska vågen (röd =positiv, blått =negativt) från det inkommande ljuset förökar sig genom systemet som en serie plasmoniska vågor. Upphovsman:Yu-Rong Zhen/Rice University
Mönstren på metallskivor som LANP -forskare skapade för PNAS studier är en typ av olinjära medier. Teamet använde elektronstråle litografi för att etsa puckformade guldskivor som placerades på en transparent yta för optisk testning. Diametern på varje skiva var ungefär en tusendel bredden på ett människohår. Var och en var utformad för att skörda energin från en viss ljusfrekvens; genom att ordna ett dussin av skivorna i ett tätt placerat mönster, laget kunde förbättra systemets olinjära egenskaper genom att skapa intensiva elektriska fält.
"Vårt system utnyttjar en särskild plasmonisk effekt som kallas en Fano-resonans för att öka effektiviteten hos den relativt svaga olinjära effekten som ligger till grund för blandning av fyra vågor, "Nordlander sa." Resultatet är en ökning av intensiteten i den tredje ljusfärgen som enheten producerar. "
Doktorand och medförfattare Yu-Rong Zhen beräknade det exakta arrangemanget av 12 skivor som skulle krävas för att producera två sammanhängande Fano-resonanser i en enda enhet, och doktorand och huvudförfattare Yu Zhang skapade enheten som producerade blandningen med fyra vågor-det första materialet som någonsin skapats.
"Enheten Zhang skapade för blandning i fyra vågor är den mest effektiva som har producerats för detta ändamål, men värdet av denna forskning går utöver designen för just denna enhet, "sa Halas, som nyligen utsågs till medlem av National Academy of Sciences för sin banbrytande forskning inom nanofotonik. "Metoderna som används för att skapa denna enhet kan tillämpas på produktion av ett brett spektrum av olinjära medier, var och en med skräddarsydda optiska egenskaper. "
