I århundraden, konstnärer blandade silver och guldpulver med glas för att tillverka färgglada fönster för att dekorera byggnader. Resultaten var imponerande, men de hade ingen vetenskaplig anledning till hur dessa ingredienser tillsammans gjorde målat glas. I början av 1900-talet, fysikern Gustav Mie kom på att färgen på en metallnanopartikel är relaterad till dess storlek och de optiska egenskaperna hos metallen och intilliggande material.

Forskare har först nyligen listat ut den saknade biten i detta pussel. Medeltida glasarbetare skulle bli förvånade över att få reda på att de utnyttjade det som forskare idag kallar plasmonics:ett nytt fält baserat på elektronsvängningar som kallas plasmoner.

Koncentrerat ljus

Plasmonics visar hur ljus kan ledas längs metallytor eller inuti nanometertjocka metallfilmer. Det fungerar så här:på atomnivå, metallkristaller har en mycket organiserad gallerstruktur. Gittret innehåller fria elektroner, inte nära förknippad med metallatomerna, som interagerar med ljuset som träffar dem.

Dessa fria elektroner börjar kollektivt oscillera med avseende på den fixerade positionen för positivt laddade kärnor i metallgittret. Som tätheten av luftmolekyler i en ljudvåg, elektrontätheten fluktuerar i metallgittret som en plasmonvåg.

Synligt ljus, som har en våglängd på ungefär en halv mikrometer, kan således koncentreras med en faktor på nästan 100 för att resa genom metallfilmer som bara är några nanometer (nm) tjocka. Det är 1, 000 gånger mindre än ett människohår. Det nya blandade ljus-elektron-våg-tillståndet möjliggör intensiva ljus-materia-interaktioner med oöverträffade optiska egenskaper.

Vad kan plasmonics göra?

Plasmonik kan revolutionera hur datorer eller smartphones överför data i sina elektroniska integrerade kretsar. Dataöverföring i nuvarande elektroniska integrerade kretsar sker via flödet av elektroner i metalltrådar. I plasmonik, det beror på oscillerande rörelse kring de positiva kärnorna. Dataöverföring är därför mer tidskrävande i den gamla tekniken. Eftersom plasmonisk dataöverföring sker med ljusliknande vågor och inte med ett flöde av elektroner (elektrisk ström) som i konventionella metalltrådar, dataöverföringen skulle vara supersnabb (nära ljusets hastighet) – liknande nuvarande glasfiberteknik. Men plasmoniska metallfilmer är mer än 100 gånger tunnare än glasfibrer. Detta kan leda till snabbare, tunnare och lättare informationsteknik.

Ytplasmoner är också exceptionellt känsliga för alla material bredvid metallfilmen. En låg koncentration av atomer, molekyler eller bakterier bundna till metallytan kan förändra egenskaperna hos dess plasmoner. Denna funktion kan användas för biologisk och kemisk avkänning vid extremt låga koncentrationer – t.ex. att undersöka förorenat vatten.

Om den är rätt utformad, flerskikt av plasmoniska metall/isolatornanostrukturer bildar artificiella metamaterial, där det grekiska ordet "meta" betyder "bortom". Till skillnad från något annat material i naturen, dessa metamaterial har ett negativt brytningsindex. Det är ett mått på hur mycket ljus ändrar riktning när det kommer in i en transparent isolator. Isolatorer, inklusive glas, har ett positivt brytningsindex; de böjer ljus som kommer in i en viss vinkel närmare vinkelrätt mot isolatorytan.

I kontrast, flerskiktiga metamaterial böjer ljus till "motsatt" riktning. Denna fascinerande egenskap kan användas för att täcka föremål genom att täcka dem med ett metamaterial. Folien leder ljuset smidigt runt föremålet istället för att reflektera det. Nästan otroligt, det täckta föremålet blir osynligt.

Andra tillämpningar inkluderar optiska superlinser med betydligt högre upplösning jämfört med vanliga optiska mikroskop. De kan tillåta forskare att se objekt så små som cirka 100 nm i storlek. Det är ungefär en tiondel så stor som en vanlig bakterie.

Det finns några optiska kappor och superlinser som är principiella. But high resistivity losses in the metal layers which convert the light-electron-wave energy into heat currently limit the feasibility of many applications.

Manufacturing plasmonic nanowires

High resistivity losses are the major issue with plasmonics. För att övervinna dessa begränsningar, we design and fabricate unique plasmonic metal/organic/semiconductor nanowire heterostructures. Our goal is to excite the semiconductor nanowires with an external light source, then use the internal radiation in the nanowires as an energy-pump source to compensate for metallic losses. Den här vägen, the nanowires couple light energy in concert with the light-electron-oscillations to the metal film, thus restoring the amplitude of the damped plasmon wave.

We use the organic molecular beam deposition (OMBD) method to coat the semiconductor nanowires with metal/organic multilayers. In the OMBD chamber, organic and metal materials reside in heatable cylindrical cells. We evaporate both organic molecules and metal atoms in heated cells at ultra-high vacuum (which is hundreds of billion times lower than atmosphere pressure). Then we direct the molecular and atom beams we have produced toward the semiconductor nanowire sample. The thickness of the resulting deposited film on the nanowire is controlled by mechanical shutters at the cell openings.

The energy-transfer processes from the optically excited semiconductor nanowire to the plasmon oscillations in the surrounding metal film are studied with ultrafast spectroscopic techniques.

Results from our studies will provide a new understanding of light-electron-waves in the novel and unique metal-semiconductor environment. Förhoppningsvis, we will open new prospects for designing low-loss or loss-free plasmonic devices. Ideally we want to enable new and important applications in information technologies, biological sensing and national defense. We further envision our investigations having a strong impact in other research fields:for instance, by utilizing the biocompatibility of our hybrid organic/metal structures, by enhancing the light emission in light-emitting diodes and laser structures or by improving light harvesting in photovoltaic devices.

Den här historien publiceras med tillstånd av The Conversation (under Creative Commons-Attribution/No derivatives).