Wetenschappers vertragen en sturen het licht met resonerende nano-antennes

Licht is notoir snel. Zijn snelheid is cruciaal voor snelle informatie-uitwisseling, maar naarmate licht door materialen heen ritst, kan de kans op interactie en opwinding van atomen en moleculen erg klein worden. Als wetenschappers lichtdeeltjes of fotonen kunnen afremmen, zou dat de deur openen naar tal van nieuwe technologische toepassingen.

Nu, in een artikel gepubliceerd op 17 augustus, in Natuur Nanotechnologie, Demonstreren wetenschappers van Stanford een nieuwe benadering om licht significant te vertragen, net zoals een echokamer geluid vasthoudt en het naar believen stuurt. Onderzoekers in het laboratorium van Jennifer Dionne, universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering aan Stanford, structureerden ultradunne siliciumchips in staafjes op nanoschaal om resonant licht op te vangen en het later vrij te geven of om te leiden. Deze “hoogwaardige factor” of “hoge Q” -resonatoren zouden kunnen leiden tot nieuwe manieren om licht te manipuleren en te gebruiken, waaronder nieuwe toepassingen voor kwantumcomputers, virtuele realiteit en augmented reality; op licht gebaseerde wifi; en zelfs de detectie van virussen zoals SARS-CoV-2.

“We proberen in wezen licht te vangen in een klein doosje dat het licht nog steeds vanuit veel verschillende richtingen laat komen en gaan”, zei postdoctoraal Mark Lawrence, die ook hoofdauteur van het artikel is. “Het is gemakkelijk om licht op te sluiten in een doos met veel kanten, maar niet zo gemakkelijk als de zijkanten transparant zijn – zoals het geval is bij veel toepassingen op siliciumbasis.”

Maken en vervaardigen

Voordat ze licht kunnen manipuleren, moeten de resonatoren worden vervaardigd, en dat brengt een aantal uitdagingen met zich mee.

Een centraal onderdeel van het apparaat is een extreem dunne laag silicium, die licht zeer efficiënt vasthoudt en een lage absorptie heeft in het nabij-infrarood, het spectrum van licht dat de wetenschappers willen beheersen. Het silicium rust bovenop een wafel van transparant materiaal (in dit geval saffier) ​​waarin de onderzoekers een elektronenmicroscoop “pen” richten om hun nano-antennepatroon te etsen. Het patroon moet zo vloeiend mogelijk worden getekend, aangezien deze antennes dienen als de wanden in de echokamer-analogie, en onvolkomenheden het vermogen om licht te vangen belemmeren.

“High-Q resonanties vereisen de creatie van extreem gladde zijwanden die het licht niet laten weglekken”, aldus Dionne, die ook Senior Associate Vice Provost van Research Platforms / Shared Facilities is. “Dat kan redelijk routinematig worden bereikt met structuren op grotere micronschaal, maar is een grote uitdaging met nanostructuren die licht meer verstrooien.”

Patroonontwerp speelt een sleutelrol bij het creëren van de high-Q nanostructuren. “Op een computer kan ik ultragladde lijnen en blokken van een bepaalde geometrie tekenen, maar de fabricage is beperkt”, aldus Lawrence. “Uiteindelijk moesten we een ontwerp vinden dat goede lichtopvangprestaties leverde, maar binnen het bereik van de bestaande fabricagemethoden viel.”

Hoogwaardige (factor) applicaties

Het sleutelen aan het ontwerp heeft geresulteerd in wat Dionne en Lawrence omschrijven als een belangrijke platformtechnologie met tal van praktische toepassingen.

De apparaten vertoonden zogenaamde kwaliteitsfactoren tot 2.500, wat twee ordes van grootte (of 100 keer) hoger is dan vergelijkbare apparaten eerder hebben bereikt. Kwaliteitsfactoren zijn een maat die het resonantiegedrag beschrijft, dat in dit geval evenredig is met de levensduur van het licht. “Door duizenden kwaliteitsfactoren te behalen, bevinden we ons al op een mooie plek met een aantal zeer opwindende technologische toepassingen”, zei Dionne.

Bijvoorbeeld biosensing. Een enkel biomolecuul is zo klein dat het in wezen onzichtbaar is. Maar het honderden of duizenden keren laten passeren van licht over een molecuul kan de kans op een detecteerbaar verstrooiingseffect aanzienlijk vergroten.

Het laboratorium van Dionne werkt aan het toepassen van deze techniek voor het detecteren van COVID-19-antigenen – moleculen die een immuunrespons veroorzaken – en antilichamen – eiwitten die door het immuunsysteem als reactie daarop worden geproduceerd. “Onze technologie zou een optische uitlezing geven zoals de doktoren en clinici gewend zijn te zien”, zei Dionne. “Maar we hebben de mogelijkheid om een ​​enkel virus of zeer lage concentraties van een veelvoud aan antilichamen te detecteren dankzij de sterke interacties tussen licht en moleculen.” Dankzij het ontwerp van de high-Q nanoresonators kan elke antenne onafhankelijk werken om verschillende soorten antilichamen tegelijkertijd te detecteren.

Hoewel de pandemie haar interesse in virale detectie heeft aangewakkerd, is Dionne ook enthousiast over andere toepassingen, zoals LIDAR – of Light Detection and Ranging, een lasergebaseerde afstandsmeettechnologie die vaak wordt gebruikt in zelfrijdende voertuigen – waaraan deze nieuwe technologie zou kunnen bijdragen. naar. “Een paar jaar geleden had ik me niet kunnen voorstellen op welke immense toepassingsruimtes dit werk zou gaan”, aldus Dionne. “Voor mij heeft dit project het belang van fundamenteel onderzoek versterkt – je kunt niet altijd voorspellen waar de fundamentele wetenschap naartoe gaat of waartoe het zal leiden, maar het kan cruciale oplossingen bieden voor toekomstige uitdagingen.”

Deze innovatie kan ook nuttig zijn in de kwantumwetenschap. Bijvoorbeeld, het splitsen van fotonen om verstrengelde fotonen te creëren die verbonden blijven op een kwantumniveau, zelfs als ze ver uit elkaar liggen, zou typisch grote optische experimenten op tafelblad vereisen met grote dure, nauwkeurig gepolijste kristallen. “Als we dat kunnen doen, maar onze nanostructuren gebruiken om dat verstrengelde licht te beheersen en vorm te geven, zullen we misschien op een dag een verstrengelingsgenerator hebben die je in je hand kunt houden”, zei Lawrence. “Met onze resultaten kijken we graag naar de nieuwe wetenschap die nu haalbaar is, maar proberen we ook de grenzen van wat mogelijk is te verleggen.”