En ny typ av "nanotweezer" som kan positionera små föremål snabbt och exakt och frysa dem på plats kan möjliggöra förbättrade avkänningsmetoder i nanoskala och hjälpa forskning att tillverka avancerad teknik som kvantdatorer och ultrahögupplösta skärmar.

Enheten, tillverkad vid Purdue Universitys Birck Nanotechnology Center, använder en cylindrisk guld "nanoantenn" med en diameter på 320 nanometer, eller ungefär 1/300 av bredden på ett människohår. Strukturerna koncentrerar och absorberar ljus, vilket resulterar i "plasmoniska hotspots" och gör det möjligt att manipulera föremål i nanometerskala suspenderade i en vätska.

"Det föreslagna tillvägagångssättet möjliggör omedelbar implementering av en myriad av spännande applikationer, sa Alexandra Boltasseva, docent i el- och datateknik.

Resultaten beskrivs i en tidning som visas online i Naturens nanoteknik Måndag (2 nov).

Plasmoniska enheter utnyttjar moln av elektroner som kallas ytplasmoner för att manipulera och kontrollera ljus. Potentiella tillämpningar för nanotweezer inkluderar sensorer med förbättrad känslighet i nanoskala och studier av syntetiska och naturliga nanoobjekt inklusive virus och proteiner; skapande av "nanosammansättningar" för plasmoniska material som skulle kunna möjliggöra en mängd avancerade teknologier; ultraupplösta "optofludic" displayer; och plasmoniska kretsar för kvantlogiska enheter.

Nanotweezer kan användas för att skapa enheter som innehåller nanodiamantpartiklar eller andra ljusavgivande strukturer i nanoskala som kan användas för att förbättra produktionen av enstaka fotoner, arbetshästar av kvantinformationsbehandling, som kan ge överlägsna datorer, kryptografi och kommunikationsteknik.

Konventionella datorer använder elektroner för att bearbeta information. Dock, prestandan kan höjas avsevärt genom att använda de unika kvantegenskaperna hos elektroner och fotoner, sa Vladimir M. Shalaev, meddirektör för ett nytt Purdue Quantum Center, vetenskaplig chef för nanofotonik vid Birck Nanotechnology Center och en framstående professor i elektro- och datateknik.

"Nanotweezer-systemet har visat sig orsaka konvektion i vätska vid behov, vilket resulterar i mikrometer-per-sekund nanopartikeltransport genom att utnyttja en enda plasmonisk nanoantenn, vilket hittills har ansetts vara omöjligt, " sa doktoranden Justus C. Ndukaife.

Tidigare forskning hade visat att konvektion med en enda plasmonisk nanoantenn var för svag för att inducera en så stark konvektion, under 10 nanometer per sekund, som inte kan resultera i en nettotransport av suspenderade partiklar.

Dock, Purdue-forskarna har övervunnit denna begränsning, öka hastigheten för partikeltransport med 100 gånger genom att applicera ett elektriskt växelströmsfält i samband med uppvärmning av den plasmoniska nanoantennen med hjälp av en laser för att inducera en kraft som är mycket starkare än annars möjligt.

"Den lokala elektromagnetiska fältintensiteten är mycket förstärkt, över 200 gånger, vid plasmonisk hotspot, ", sade Ndukaife. "Det intressanta med detta system är att vi inte bara kan fånga partiklar utan också göra användbara uppgifter eftersom vi har dessa hotspots. Om jag tar med en partikel till hotspot kan jag göra mätningar, och avkänning förbättras eftersom det är i en hotspot."

Den nya hybrid nanotweezer kombinerar ett nära-infrarött laserljus och ett elektriskt fält, inducerar ett "elektrotermoplasmoniskt flöde".

"Sedan, när vi väl stänger av det elektriska fältet håller lasern partiklarna på plats, så den kan fungera i två lägen. Först, den snabba transporten med växelström, och sedan stänger du av det elektriska fältet och det går in i plasmonisk tweezing-läge, " han sa.

Purdue-forskarna är de första att inducera elektrotermoplasmoniskt flöde med hjälp av plasmoniska strukturer.

Systemet gör det också möjligt att skapa mönster för att projicera bilder, potentiellt för skärmar med ultrafin upplösning.

Lasern fångar partiklarna, gör det möjligt att exakt placera dem. Tekniken demonstrerades med polystyrenpartiklar.