Rice University fotonikforskare har presenterat en ny nanopartikelförstärkare som kan generera infrarött ljus och öka utmatningen av ett ljus genom att fånga och konvertera energi från ett andra ljus.

Innovationen, det senaste från Rices laboratorium för nanofotonik (LANP), beskrivs online i en artikel i American Chemical Society journal Nano bokstäver . Enheten fungerar ungefär som en laser, men medan lasrar har en fast utgångsfrekvens, utsignalen från Rices nanoskala "optiska parametriska förstärkare" (OPA) kan ställas in över ett frekvensområde som inkluderar en del av det infraröda spektrumet.

"Ställbara infraröda OPA -ljuskällor kostar idag cirka $ 100, 000 och tar en bra bit plats på en bänkskiva eller labbänk, "sa studiehuvudförfattaren Yu Zhang, en tidigare doktorand i ris vid LANP. "Vad vi har visat, i princip, är en enda nanopartikel som har samma funktion och är cirka 400 nanometer i diameter. "

Som jämförelse, det är ungefär 15 gånger mindre än en röd blodkropp, och Zhang sa att krympa en infraröd ljuskälla till en så liten skala skulle kunna öppna dörrar till nya typer av kemisk avkänning och molekylär avbildning som inte är möjliga med dagens toppmoderna nanoskala infraröda spektroskopi.

Zhang, som tog sin doktorsexamen från Rice 2014 och arbetar idag på Lam Research i Fremont, Kalifornien, sade parametrisk förstärkning har använts i decennier inom mikroelektronik. Det innebär två insignaler, en svag och en stark, och två motsvarande utgångar. Utgångarna är också starka och svaga, men energin från den kraftfullare ingången - känd som "pumpen" - används för att förstärka den svaga inkommande "signalen" och göra den till den kraftfullare utgången. Lågeffekten-känd som "tomgång"-innehåller en resterande del av pumpenergin.

"Optiska parametriska förstärkare fungerar med ljus snarare än elektricitet, "sa LANP -chefen Naomi Halas, ledande forskare på den nya studien och direktören för Rices Smalley-Curl Institute. "I OPA, ett starkt pumpljus förstärker dramatiskt en svag "seed" -signal och genererar ett tomgångsljus samtidigt. I vårat fall, pump- och signalfrekvenserna är synliga, och tomgången är infraröd. "

Medan pumplasern i Rices enhet har en fast våglängd, både signal- och tomgångsfrekvenserna kan ställas in.

"Människor har tidigare demonstrerat infraröda lasrar i nanoskala, men vi tror att detta är den första avstämbara nanoskala infraröda ljuskällan, Sa Halas.

Genombrottet är det senaste för Halas lab, forskningsarmen vid Rices Smalley-Curl Institute som specialiserat sig på studier av ljusaktiverade nanopartiklar. Till exempel, vissa metalliska nanopartiklar omvandlar ljus till plasmoner, vågor av elektroner som flyter som en vätska över en partikels yta. I dussintals studier under de senaste två decennierna har LANP -forskare har undersökt plasmonikens grundläggande fysik och visat att plasmoniska interaktioner kan utnyttjas för applikationer som är så olika som medicinsk diagnostik, cancer behandling, insamling av solenergi och optisk beräkning.

En av LANPs specialiteter är utformningen av multifunktionella plasmoniska nanopartiklar som interagerar med ljus på mer än ett sätt. Zhang sa att nanoskala OPA -projektet krävde att LANP:s team skapade en enda partikel som samtidigt kunde resonera med tre ljusfrekvenser.

"Det finns inneboende ineffektivitet i OPA -processen, men vi kunde kompensera för dessa genom att designa en ytplasmon med trippelresonanser vid pumpen, signal- och tomgångsfrekvenser, "Zhang sa." Strategin gjorde det möjligt för oss att visa avstämbar emission över en rad infraröda frekvenser - ett viktigt potentiellt steg för vidareutveckling av tekniken. "

Zhang sa att den tidigare postdoktorala forskaren i risfysik, Alejandro Manjavacas - nu vid University of New Mexico - utförde de nödvändiga beräkningarna för att utforma den tredubbla resonanta nanopartikeln.

Halas sa att projektet också visade LANP:s tvärvetenskapliga styrka. "I nanofotonik, tillämpad och grundläggande forskning går hand i hand eftersom en djup förståelse för den grundläggande fysiken är det som gör att vi kan optimera partikeldesign. Det är därför ett av LANP:s främsta uppdrag är att föra samman teoretiker och experimenter, och det här projektet är ett bra exempel på hur det lönar sig. "