Ta guldspiraler som är ungefär lika stora som en krona ... och krymp ner dem ungefär sex miljoner gånger. Resultatet är världens minsta kontinuerliga spiraler:"nano-spiraler" med unika optiska egenskaper som skulle vara nästan omöjliga att förfalska om de lades till i identitetskort, valuta och andra viktiga föremål.

Studenter och lärare vid Vanderbilt University tillverkade dessa små Arkimedes spiraler och använde sedan ultrasnabba lasrar vid Vanderbilt och Pacific Northwest National Laboratory i Richland, Washington, för att karakterisera deras optiska egenskaper. Resultaten rapporteras i en tidning publicerad online av Journal of Nanophotonics den 21 maj.

"De är förvisso mindre än någon av de spiraler vi har hittat rapporterade i den vetenskapliga litteraturen, sade Roderick Davidson II, Vanderbilt-doktoranden som kom på hur man studerade sitt optiska beteende. Spiralerna designades och tillverkades på Vanderbilt av en annan doktorand, Jed Ziegler, nu vid Sjöforskningslaboratoriet.

De flesta andra forskare som har studerat de anmärkningsvärda egenskaperna hos mikroskopiska spiraler har gjort det genom att arrangera diskreta nanopartiklar i ett spiralmönster:liknande spiraler ritade med en serie bläckprickar på ett papper. Däremot de nya nano-spiralerna har solida armar och är mycket mindre:En kvadratisk array med 100 nano-spiraler på en sida är mindre än en hundradels millimeter bred.

När dessa spiraler krymps till storlekar mindre än våglängden för synligt ljus, de utvecklar ovanliga optiska egenskaper. Till exempel, när de är upplysta med infrarött laserljus, de avger synligt blått ljus. Ett antal kristaller ger denna effekt, kallas frekvensdubblering eller harmonisk generering, i olika grader. Den starkaste frekvensdubblaren som tidigare känts är den syntetiska kristallen beta-bariumborat, men nano-spiralerna producerar fyra gånger mer blått ljus per volymenhet.

När infrarött laserljus träffar de små spiralerna, det absorberas av elektroner i guldarmarna. Armarna är så tunna att elektronerna tvingas röra sig längs spiralen. Elektroner som drivs mot mitten absorberar tillräckligt med energi så att vissa av dem avger blått ljus med dubbelt så hög frekvens som det inkommande infraröda ljuset.

"Detta liknar det som händer med en fiolsträng när den böjs kraftigt, " sa Stevenson professor i fysik Richard Haglund, som ledde forskningen. "Om du böjer en fiolsträng väldigt lätt producerar den en enda ton. Men, om du böjer den kraftigt, det börjar också producera högre övertoner, eller övertoner. Elektronerna i mitten av spiralerna drivs ganska kraftigt av laserns elektriska fält. Det blå ljuset är exakt en oktav högre än det infraröda - den andra övertonen."

Nano-spiralerna har också ett distinkt svar på polariserat laserljus. Linjärt polariserat ljus, som det som produceras av ett polaroidfilter, vibrerar i ett enda plan. När den träffas av en sådan ljusstråle, mängden blått ljus som nanospiralerna sänder ut varierar när vinkeln på polarisationsplanet roteras 360 grader.

Effekten är ännu mer dramatisk när cirkulärt polariserat laserljus används. I cirkulärt polariserat ljus, polarisationsplanet roterar antingen medurs eller moturs. När vänsterhänta nano-spiraler är upplysta med medurs polariserat ljus, mängden blått ljus som produceras maximeras eftersom polariseringen trycker elektronerna mot spiralens mitt. Moturs polariserat ljus, å andra sidan, producerar en minimal mängd blått ljus eftersom polariseringen tenderar att trycka elektronerna utåt så att vågorna från hela nanospiralen stör destruktivt.

Kombinationen av de unika egenskaperna hos deras frekvensfördubbling och respons på polariserat ljus ger nano-spiralerna en unik, anpassningsbar signatur som skulle vara extremt svår att förfalska, sa forskarna.

Än så länge, Davidson har experimenterat med små uppsättningar av guld nano-spiraler på ett glassubstrat tillverkat med skanningselektronstrålelitografi. Silver och platina nano-spiraler skulle kunna tillverkas på samma sätt. På grund av de små mängder metall som faktiskt används, de kan tillverkas billigt av ädla metaller, som motstår kemisk nedbrytning. De kan också göras på plast, papper och ett antal andra substrat.

"Om nano-spiraler var inbäddade i ett kreditkort eller id-kort, de kan upptäckas av en enhet som är jämförbar med en streckkodsläsare, sa Haglund.

Frekvensfördubblingseffekten är tillräckligt stark så att arrayer som är för små för att se med blotta ögat lätt kan upptäckas. Det betyder att de kan placeras på en hemlig plats på ett kort, vilket skulle utgöra ett ytterligare hinder för förfalskare.

Forskarna hävdar också att kodade nano-spiralarrayer kan kapslas in och placeras i sprängämnen, kemikalier och droger – vilket ämne som helst som någon vill spåra noggrant – och sedan upptäckt med en optisk avläsningsenhet.