Att kontrollera växelverkan mellan ljus och materia har varit en långvarig ambition för forskare som vill utveckla och främja många teknologier som är grundläggande för samhället. Med nanoteknikens boom de senaste åren, manipulationen av ljus i nanoskala har blivit både, en lovande väg att fortsätta detta framsteg, samt en unik utmaning på grund av nya beteenden som dyker upp när dimensionerna på strukturer blir jämförbara med ljusets våglängd.

Forskare i Theoretical Nanophotonics Group vid University of New Mexicos institution för fysik och astronomi har gjort ett spännande nytt framsteg för detta ändamål, i en banbrytande forskningssatsning med titeln "Analys av gränserna för närområdet producerat av nanopartikelmatriser, " publicerad nyligen i tidskriften, ACS Nano , en topptidskrift inom nanoteknikområdet. Gruppen, ledd av biträdande professor Alejandro Manjavacas, studerat hur det optiska svaret från periodiska arrayer av metalliska nanostrukturer kan manipuleras för att producera starka elektriska fält i deras närhet.

Arrayerna de studerade är sammansatta av silvernanopartiklar, små sfärer av silver som är hundratals gånger mindre än tjockleken på ett människohår, placeras i ett återkommande mönster, även om deras resultat gäller för nanostrukturer gjorda av andra material också. På grund av den starka interaktionen mellan var och en av nanosfärerna, dessa system kan användas för olika tillämpningar, allt från levande, högupplösta färgutskrifter till biosensing som kan revolutionera vården.

"Detta nya arbete kommer att hjälpa till att främja de många tillämpningarna av nanostrukturer genom att ge grundläggande insikter om deras beteende, " säger Manjavacas. "De närområdesförbättringar vi förutspår kan vara en spelförändring för teknologier som ultrakänslig biosensing."

Manjavacas och hans team, består av Lauren Zundel och Stephen Sanders, både doktorander vid institutionen för fysik och astronomi, modellerade det optiska svaret för dessa arrayer, hitta spännande nya resultat. När periodiska uppsättningar av nanostrukturer belyses med ljus, var och en av partiklarna ger ett starkt svar, som, i tur och ordning, resulterar i enorma kollektiva beteenden om alla partiklar kan interagera med varandra. Detta händer vid vissa våglängder av infallande ljus, som bestäms av arrayens interpartikelavstånd, och kan resultera i elektriska fält som är tusentals, eller till och med tiotusentals, gånger som ljuset lyste på arrayen.

Styrkan hos denna fältförbättring beror på arrayens geometriska egenskaper, såsom avståndet mellan nanosfärerna, samt storleken på själva sfärerna. Helt kontraintuitivt, Manjavacas och hans grupp fann att minskning av densiteten av nanopartiklar i arrayen, antingen genom att öka avståndet mellan var och en av dem, eller genom att minska deras storlek, producerar fältförbättringar som inte bara är större, men sträcker sig längre bort från arrayen.

"Det var verkligen spännande att ta reda på att nyckeln till dessa enorma fältförbättringar faktiskt ligger i att göra partiklarna mindre och längre ifrån varandra, säger Zundel om upptäckten.

"Anledningen till detta är att interaktionerna mellan nanopartiklarna, och därmed det kollektiva svaret, är stärkt, " enligt Sanders.