Zilveren nanokubussen maken het genereren van nanolaserlicht mogelijk

Kaunas University of Technology (KTU), Litouwse onderzoekers en wetenschappers uit Japan hebben een unieke nanolaser ontwikkeld. Hoewel de afmetingen van deze laser zo klein zijn dat de structuur ervan alleen door een krachtige microscoop kan worden gezien, zijn de mogelijkheden ervan enorm. Met toepassingen in vroege medische diagnostiek, datacommunicatie en beveiligingstechnologieën zou deze uitvinding ook een belangrijk hulpmiddel kunnen worden voor de studie van licht- en materie-interacties.

Afhankelijk van de toepassing verschillen lasers in de manier waarop licht wordt versterkt en geproduceerd, wat de kleur van de straling en de kwaliteit van de laserstraal bepaalt.

“Nanolasers zijn lasers die structuren gebruiken die een miljoen keer kleiner zijn dan een millimeter om licht te genereren en te versterken, en de laserstraling wordt gegenereerd in een extreem klein volume materiaal”, zegt dr. Mindaugas Juodėnas, een van de auteurs van de uitvinding.

Het artikel, “Lasing in aassembled array of silver nanocubes”, is dat wel gepubliceerd in Horizonnen op nanoschaal.

Het werkingsprincipe van de laser lijkt op een spiegelzaal

Dergelijke nanolasers worden al enige tijd onderzocht en ontwikkeld. De versie van de KTU-wetenschappers is echter uniek qua productieproces. Het maakt gebruik van zilveren nanokubussen, die netjes op een oppervlak zijn gerangschikt en gevuld met een optisch actief materiaal. Hierdoor ontstaat het mechanisme dat nodig is om licht te versterken en het lasereffect te produceren.

“De zilveren nanokubussen zijn extreem kleine, monokristallijne zilverdeeltjes met uitstekende optische eigenschappen. Het is een essentieel onderdeel van de nanolaser die we hebben ontwikkeld”, zegt Juodėnas, onderzoeker aan het KTU Institute of Materials Science.

De nanokubussen worden gesynthetiseerd met behulp van een uniek proces dat is uitgevonden door KTU-partners in Japan, waardoor hun precieze vorm en kwaliteit wordt gegarandeerd. Deze nanokubussen worden vervolgens gerangschikt in een tweedimensionale structuur met behulp van het zelfassemblageproces van nanodeeltjes.

Tijdens dit proces rangschikken de deeltjes zichzelf op natuurlijke wijze van een vloeibaar medium in een vooraf gevormd sjabloon.

Wanneer de sjabloonparameters overeenkomen met de optische eigenschappen van de nanokubussen, ontstaat er een uniek fenomeen dat oppervlakteroosterresonantie wordt genoemd, waardoor efficiënte lichtgeneratie in een optisch actief medium mogelijk is.

Terwijl conventionele lasers spiegels gebruiken om dit fenomeen te produceren, gebruikt de nanolaser die is uitgevonden door de KTU-onderzoekers in plaats daarvan een oppervlak met nanodeeltjes. “Wanneer de zilveren nanokubussen in een periodiek patroon worden gerangschikt, komt er licht tussen terecht. In zekere zin doet het proces denken aan een spiegelzaal in een pretpark, maar in ons geval zijn de spiegels de nanokubussen en de bezoeker van het park is licht”, legt Juodėnas uit.

Door gebruik te maken van hoogwaardige, gemakkelijk te produceren nanomaterialen zoals zilveren nanokubussen, heeft de laser een recordhoeveelheid energie nodig om te werken, waardoor de lasers in massa kunnen worden geproduceerd.

“Chemisch gesynthetiseerde zilveren nanokubussen kunnen in honderden milliliters worden geproduceerd, terwijl hun hoge kwaliteit ons in staat stelt zelfassemblagetechnologie voor nanodeeltjes te gebruiken. Zelfs als hun opstelling niet perfect is, maken hun eigenschappen dit goed”, zegt Juodėnas.

In de beginfase heeft de eenvoud van de methode, die belangstelling had moeten wekken, de Litouwse onderzoeksfinancieringsinstellingen echter afgeschrikt. “Sceptici vroegen zich af of de eenvoudige methode die we gebruikten structuren zou kunnen creëren die hoog genoeg waren voor een werkende nanolaser”, herinnert professor Sigitas Tamulevičius zich.

Het team van het KTU Materials Science Institute geloofde sterk in de kwaliteit van de nanolaser die ze aan het ontwikkelen waren en ontving financiering van een internationale organisatie, die, zoals Juodėnas zegt, het idee als veelbelovend beoordeelde: “Na veel werk en een aantal experimenten hebben we hebben bewezen dat zelfs imperfecte arrays effectief kunnen zijn als hoogwaardige nanodeeltjes worden gebruikt.”

Een nette opstelling van nanodeeltjes, die ook wordt gebruikt in een andere uitvinding van KTU-onderzoekers om merken tegen namaak te creëren, heeft al internationale erkenning gekregen en is goedgekeurd door de Amerikaanse en Japanse octrooibureaus.

In de toekomst zou de nanolaser van KTU-onderzoekers kunnen worden gebruikt als lichtbron in ultragevoelige biologische sensoren voor vroege detectie van ziekten of realtime monitoring van biologische processen. Het zou ook kunnen worden toegepast in miniatuurfotonische chips, identificatietechnologieën en authenticatieapparatuur, waarbij de unieke structuur van de straal cruciaal is. Bovendien zou het fundamenteel onderzoek kunnen ondersteunen naar de interactie van licht met materie op nanoschaal.