Ljus beter sig på ganska tama och förutsägbara sätt när det interagerar med vardagliga föremål - det färdas i raka linjer, studsar när den träffar blanka ytor, och böjs av linser. Men konstiga och underbara saker börjar hända när ljus interagerar med mycket små föremål. Nanopartiklar, till exempel, som är samlingar av atomer så små som ett virus, kan fungera som miniantenner, och små skivor av kisel kan sätta igång konstiga "ljuslägen" som gör skivorna osynliga.

Ett nytt område inom optik har dykt upp de senaste åren för att studera dessa märkliga fenomen. "Nanofotonik, en gren av optik som behandlar ljus i nanoskala dimensioner, har blivit ett hett forskningsämne under det senaste decenniet eller så, " konstaterar Arseniy Kuznetsov från A*STAR Data Storage Institute. "Det har mycket lovande för olika nya applikationer, allt från höghastighetsinformationsöverföring och holografisk visningsteknik till bioavbildning och genomsekvensering." Kuznetsovs team leder utvecklingen inom ett underområde av nanofotonik, vilket skulle kunna säkerställa dess utbredda praktiska tillämpning.

Ljus på små vågar

Traditionellt, nanofotonik har fokuserat på små metallstrukturer som guld- och silver -nanopartiklar. Det oscillerande elektriska ljusfältet får de fria elektronerna i metaller att svänga kollektivt. Vid vissa partikelstorlekar, detta kan ge upphov till en effekt som kallas ytplasmonresonans. Resonans är ett allmänt fenomen där ett system uppvisar en mycket större respons vid vissa frekvenser, t.ex. en operasångare kan få ett vinglas att krossas genom att sjunga på tonhöjden som det ger resonans på. Ytplasmonresonans hänvisar till den specifika resonanseffekt som produceras av ytplasmoner, som är en samling laddade svängningar - studien av vilka är känd som nanoplasmonik. Samtidigt som ett mycket nytt forskningsområde, nanoplasmoniska effekter har utnyttjats i århundraden - målade glasfönster i medeltida katedraler har sin färg tack vare ytplasmoner exciterade i metallnanopartiklar inbäddade i glaset.

Trots de höga förväntningarna på nanoplasmonik inom områden som informationsteknologi, säkerhet, energi, datalagring med hög densitet och biovetenskap, det har resulterat i relativt få praktiska tillämpningar. En anledning till detta nedslående resultat är att metall nanostrukturer förlorar mycket ljus till absorption. "En djupare förståelse av dessa resonanser har gett en allmän förståelse för stora nackdelar relaterade till oundvikliga höga förluster i resonanta metalliska nanostrukturer, " kommenterar Kuznetsov. Dessutom, metaller som vanligtvis används för plasmonik som silver och guld är oförenliga med standardmetoder för tillverkning av halvledarkomponenter, gör dem svåra att producera.

En tyst revolution

Men nu pågår en tyst revolution på detta område. Fokus flyttas bort från metaller och mot elektriskt isolerande och delvis isolerande material som kallas dielektrik och halvledare, som är "optiskt täta" så att ljus färdas betydligt långsammare i dem än i luft. Exempel på sådana material inkluderar halvledarna kisel, germanium och galliumarsenid, och titandioxid.

"Ändringen från metaller till dielektrikum har redan skett, " säger Kuznetsov. "Många ledande team inom plasmonik har redan börjat arbeta med resonans dielektriska nanostrukturer."

Även om det fortfarande är i sin linda, övergången har avslöjat många fördelar. "Efter demonstrationerna av resonanser i dielektriska nanopartiklar 2012, fältet lyfte, " säger Kuznetsov. "Många fördelar jämfört med konventionell plasmonics har nu hittats."

Leder vägen

Kuznetsov och hans team på A*STAR är i spetsen för denna revolution. De använder en tredelad strategi. "I många fall, vi skapar ett teoretiskt koncept, visa det i simuleringar och sedan demonstrera det experimentellt. Dock, ibland inträffar den omvända processen - oväntade experimentella observationer leder till teoriutveckling för att ge deras fysiska förståelse, " förklarar Kuznetsov.

Teammedlemmarna har insett några anmärkningsvärda nybörjar inom detta unga område. Fysikern Boris Luk'yanchuk startade bollen i rullning 2010 när han och kollegor i Tyskland publicerade en framstående tidning som visade att, teoretiskt sett kiselnanopartiklar med storlekar från 100 till 200 nanometer kan ha både starka elektriska och magnetiska resonanser vid frekvenser för synligt ljus - ett alternativ med låg förlust till plasmoniska nanostrukturer. I en efterföljande tidning, Luk'yanchuk, tillsammans med forskare i Australien, föreslagna nya metall-dielektriska hybridstrukturer där ljus kan föröka sig på grund av interaktioner mellan magnetmoment, vilket inte är möjligt i kedjor av metallpartiklar. Äntligen 2015, A*STAR-gruppen visade att liknande typer av optiskt inducerade interaktioner av magnetiska moment finns i kedjor av kiselpartiklar. "Sådana magnetiska interaktioner av kiselpartiklar kan vida överträffa vågledare baserade på plasmonik och konventionell kiselfotonik, säger Luk'yanchuk.

Luk'yanchuk, Kuznetsov och deras team har experimentellt demonstrerat dessa resonanser i kiselnanopartiklar. Teamet var också det första att experimentellt visa unik riktad ljusspridning av kiselnanopartiklar, som visar deras lovande nanoantennegenskaper. Och forskarna var de första som experimentellt visade en stor förbättring av ljusets elektriska och magnetiska fält i närheten av dielektriska antenner gjorda av två kiselnanopartiklar placerade mycket nära varandra6.

Enligt Google Scholar, papper som beskriver dessa fynd har citerats mer än 1, 000 gånger, vilket återspeglar den enorma inverkan som teamets arbete har haft på fältet. Sådant är deras rykte på detta område att en nyligen publicerad recension de skrev om det framväxande området publicerades i den prestigefyllda tidskriften Vetenskap .

I en studie från 2015, laget, tillsammans med forskare från Australien och Tyskland, experimentellt demonstrerade en mycket ovanlig optisk effekt i nanoskala skivor av kisel — mönster av strålning som inte avger eller sprider ljus8. Sådana strålningslägen skulle kunna användas för att producera små lasrar i nanoskala. Teamet har också visat hur arrayer av sådana kiselskivor exakt kan styra ljusets fas och amplitud, tvingar den att böja sig, fokus, eller skapa högupplösta holografiska bilder.

2016, Institutet för fysik Singapore tilldelade Luk'yanchuk World Scientific Physics Research Award och guldmedalj för hans enastående bidrag till fysikforskning i landet. Samma år, Kuznetsov valdes som mottagare av Institutionen för teknik och tekniks A F Harvey Engineering Research Prize för "hans enastående bidrag inom området lasrar och optoelektronik och hans banbrytande forskning om en ny gren av nanofotonik:optiskt resonanta dielektriska nanostrukturer och dielektriska nanoantenner."

En ljus framtid

Teamet är glada över potentialen i dielektriska nanostrukturer. "Vi hoppas att resonanta dielektriska nanostrukturer äntligen kommer att ge upphov till verkliga tillämpningar från resonant nanofotonik, "säger Kuznetsov. De räknar med att många teknikområden kan påverkas starkt av denna utveckling.

"Tredimensionella holografiska skärmar för smartphones och högupplösta virtuella och förstärkta verklighetsenheter kan utvecklas baserat på dielektriska nanoantenner. Substrat som innehåller resonanta dielektriska nanopartiklar kan göra bioavbildning och genomsekvensering effektivare och snabbare. Och snabba datorer baserade på ljus kan dyka upp med resonanta dielektriska nanopartikelkomponenter inuti, " säger Kuznetsov. "Några av dessa nya och fantastiska applikationer kan bli verklighet inom de kommande 5 till 8 åren, " förutspår han. Även om ljus kan vara förutsägbart i stor skala, framtiden ser allt annat än tam ut för denna framväxande teknologi.