När en anka paddlar över en damm eller ett överljudsplan flyger genom himlen, den lämnar ett kölvatten i sin väg. Vaknar uppstår när något färdas genom ett medium snabbare än vågorna det skapar - i ankans fall vattenvågor, i planets fall chockvågor, annars känd som sonic booms.

Vaknar kan finnas varhelst det finns vågor, även om dessa vågor är lätta. Medan ingenting färdas snabbare än ljusets hastighet i ett vakuum, ljus är inte alltid i ett vakuum. Det är möjligt för något att röra sig snabbare än ljusets fashastighet i ett medium eller material och generera ett vak. Det mest kända exemplet på detta är Cherenkov-strålning, vaknar som produceras när elektriska laddningar färdas genom vätskor snabbare än ljusets fashastighet, avger ett glödande blått vak.

För första gången, Harvard-forskare har skapat liknande vågor av ljusliknande vågor som rör sig på en metallyta, kallade ytplasmoner, och visade att de kan kontrolleras och styras. Upptäckten, publiceras idag i tidskriften Naturens nanoteknik , gjordes i Federico Capassos labb, Robert L. Wallace professor i tillämpad fysik och Vinton Hayes seniorforskare i elektroteknik vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Science (SEAS).

"Förmågan att kontrollera ljus är en kraftfull, " sa Capasso. "Vår förståelse av optik på makroskalan har lett till hologram, Google Glass och lysdioder, bara för att nämna några tekniker. Nanooptik är en viktig del av framtiden för nanoteknik och denna forskning främjar vår förmåga att kontrollera och utnyttja ljusets kraft på nanoskala."

Skapandet och kontrollen av ytplasmonvågor kan leda till nya typer av plasmoniska kopplare och linser som kan skapa tvådimensionella hologram eller fokusera ljus på nanoskala.

Ytplasmoner är begränsade till ytan av en metall. För att skapa vak genom dem, Capassos team designade en snabbare än lätt löpande laddningsvåg längs ett endimensionellt metamaterial - som en motorbåt som rusar över en sjö.

Metamaterialet, en nanostruktur av roterade slitsar etsade till en guldfilm, ändrar fasen av ytplasmonerna som genereras vid varje slits i förhållande till varandra, öka hastigheten på den löpande vågen. Nanostrukturen fungerar också som båtens roder, så att vaken kan styras genom att kontrollera hastigheten på den löpande vågen.

Teamet upptäckte att infallsvinkeln för ljuset som skiner på metamaterialet ger ett ytterligare mått på kontroll och att använda polariserat ljus kan till och med vända riktningen för vaken i förhållande till den löpande vågen - som ett vak som färdas i motsatt riktning av en båt .

"Att kunna kontrollera och manipulera ljus på skalor som är mycket mindre än ljusets våglängd är mycket svårt, sa Daniel Wintz, en huvudförfattare till uppsatsen och doktorand i Capasso-labbet. "Det är viktigt att vi inte bara observerade dessa vaknar utan hittade flera sätt att kontrollera och styra dem."

Själva observationen var utmanande, eftersom "ytplasmoner inte är synliga för ögat eller kameror, ", sa medförfattaren Antonio Ambrosio från SEAS och det italienska forskningsrådet (CNR). "För att se kölvattnet, vi använde en experimentell teknik som tvingar plasmoner från ytan, samlar in dem via fiberoptik och registrerar bilden."

Detta arbete kan representera en ny testbädd för vakenfysik inom en mängd olika discipliner. "Denna forskning tar upp ett särskilt elegant och innovativt problem inom fysiken som kopplar samman olika fysiska fenomen, från vattenvak till ljudbommar, och Cherenkov-strålning, sa Patrice Genevet, en huvudförfattare, tidigare från SEAS, för närvarande knuten till Singapore Institute of Manufacturing Technology.