Forskare vid ETH Zürich har utvecklat en metod för framställning av vågiga ytor med nanometerprecision. I framtiden kan denna metod användas, till exempel, att göra optiska komponenter för dataöverföring på internet ännu mer effektiva och kompakta.

Vikten av ljusbaserad teknik för vårt samhälle har visat sig ännu en gång under de senaste veckorna. Tack vare internet, miljontals människor kan arbeta på distans, gå in i virtuella klassrum, eller prata med vänner och släktingar. Internet, i tur och ordning, har sin kraft till otaliga ljuspulser med vilka enorma mängder data skickas runt jorden via optiska fibrer.

För att styra och kontrollera dessa ljuspulser, olika tekniker används. En av de äldsta och viktigaste är diffraktionsgittret, som avleder ljus av olika färger i exakt bestämda riktningar. I årtionden, forskare har försökt förbättra designen och produktionen av diffraktionsgitter för att göra dem lämpliga för dagens krävande tillämpningar. På ETH Zürich, en grupp forskare ledd av David Norris, professor vid institutionen för maskin- och processteknik, har utvecklat en helt ny metod med vilken effektivare och mer exakta diffraktionsgitter kan produceras. De gjorde detta tillsammans med kollegor nu vid universitetet i Utrecht och företaget Heidelberg Instruments Nano, som grundades som ETH spin-off SwissLitho. Forskarna publicerade resultaten i den vetenskapliga tidskriften Natur .

Interferens genom spår

Diffraktionsgitter är baserade på interferensprincipen. När en ljusvåg träffar en räfflad yta, den är uppdelad i många mindre vågor, var och en härrör från ett individuellt spår. När dessa vågor lämnar ytan, de kan antingen lägga ihop eller avbryta varandra, beroende på i vilken riktning de färdas och på deras våglängd (vilket är relaterat till deras färg). Detta förklarar varför ytan på en CD, där data lagras i små spår, genererar en regnbåge av reflekterade färger när den är upplyst av vitt ljus.

För att ett diffraktionsgitter ska fungera korrekt måste dess spår ha en separation som liknar ljusets våglängd, som är runt en mikrometer — hundra gånger mindre än bredden på ett människohår. "Traditionellt, dessa spår etsas in i ytan av ett material med hjälp av tillverkningstekniker från mikroelektronikindustrin, " säger Nolan Lassaline, en Ph.D. student i Norris grupp och första författare till studien. "Detta betyder, dock, att gallrets spår är ganska fyrkantiga. Å andra sidan, fysiken säger oss att vi bör ha spår med ett jämnt och vågigt mönster, som krusningar på en sjö." Spår gjorda med traditionella metoder kan, därför, alltid bara vara grova uppskattningar, vilket i sin tur gör att diffraktionsgittret kommer att styra ljuset mindre effektivt. Genom att följa ett helt nytt tillvägagångssätt har Norris och hans medarbetare nu upptäckt en lösning på det problemet.

Ytmönstring med varmsond

Deras upplägg bygger på en teknik som också har sitt ursprung i Zürich. "Vår metod är ett barnbarnsbarn till scanning tunnelmikroskopet, som uppfanns för nästan fyrtio år sedan av Gerd Binnig och Heinrich Rohrer, som senare skulle vinna Nobelpriset för sitt arbete, säger Norris. I ett sådant mikroskop, materialytor skannas av den vassa spetsen på en sond med hög upplösning. Bilderna från en sådan skanning kan till och med visa de individuella atomerna i ett material.

Omvänt, dock, man kan också använda den vassa spetsen för att mönstra ett material och på så sätt producera vågiga ytor. Att göra så, forskarna värmer spetsen på en skanningssond till nästan 1000 grader och trycker in den i en polymeryta på vissa ställen. Detta gör att polymerens molekyler bryts upp och avdunstar på dessa platser, så att ytan kan skulpteras exakt. På det här sättet, forskarna kan skriva nästan godtyckliga ytprofiler punkt för punkt in i polymerskiktet med en upplösning på några nanometer. Till sist, mönstret överförs till ett optiskt material genom att ett silverskikt avsätts på polymeren. Silverskiktet kan sedan lossas från polymeren och användas som ett reflekterande diffraktionsgitter.

"Detta tillåter oss att producera godtyckligt formade diffraktionsgitter med en precision på bara några atomavstånd i silverskiktet, " säger Norris. Till skillnad från traditionella fyrkantiga spår, sådana galler är inte längre approximationer, men praktiskt taget perfekt och kan formas på ett sådant sätt att interferensen från de reflekterade ljusvågorna skapar exakt kontrollerbara mönster.

En mängd olika applikationer

Sådana perfekta galler möjliggör nya möjligheter att styra ljus, som har en rad tillämpningar, säger Norris:"Den nya tekniken kan användas, till exempel, att bygga in små diffraktionsgitter i integrerade kretsar med vilka optiska signaler för internet kan skickas, mottas och dirigeras mer effektivt." Lassaline tillägger, "Rent generellt, vi kan använda sådana diffraktionsgitter för att göra mycket miniatyriserade optiska enheter som mikrolasrar på chip." Dessa miniatyriserade enheter, han säger, allt från ultratunna kameralinser till kompakta hologram med skarpare bilder. De lovar en bred inverkan inom optisk teknik som futuristiska smartphonekameror, biosensorer, eller autonom vision för robotar och självkörande bilar."