Il rendering di questo artista mostra come i plasmoni in un paio di nanopunte d'oro concentrano la luce di un laser, amplificandolo di un fattore 1, 000. Credito:Natelson Lab/Rice University
(PhysOrg.com) -- Chiunque abbia mai usato una TV, la radio o il cellulare sa cosa fa un'antenna:cattura i segnali aerei che rendono pratici quei dispositivi. Un laboratorio della Rice University ha costruito un'antenna che cattura la luce allo stesso modo, su piccola scala che ha un grande potenziale.
Il fisico della materia condensata Doug Natelson e lo studente laureato Dan Ward hanno trovato un modo per realizzare un'antenna ottica da due punte d'oro separate da uno spazio su scala nanometrica che raccoglie la luce da un laser. Le punte "afferrano la luce e la concentrano in uno spazio minuscolo, "Natelson ha detto, portando ad un aumento di mille volte dell'intensità della luce nel divario.
Ottenere una misurazione accurata dell'effetto è il primo, disse Natelson, che ha riportato i risultati nell'edizione online odierna della rivista Nanotecnologia della natura . Si aspetta che la scoperta sarà utile nello sviluppo di strumenti per l'ottica e per il rilevamento chimico e biologico, anche alla scala della singola molecola, con implicazioni per la sicurezza industriale, difesa e sicurezza del territorio.
Il documento di Natelson, Ward e i loro colleghi in Germania e Spagna dettagliano la tecnica della squadra, che coinvolge la luce laser illuminata nello spazio tra un paio di punte d'oro a meno di un nanometro l'una dall'altra - circa un centomillesimo della larghezza di un capello umano.
"Puoi ignorare il fatto che l'antenna della tua macchina è fatta di atomi; funziona e basta, " ha detto Natelson, un professore di fisica e astronomia di Rice, e anche ingegneria elettrica e informatica. "Ma quando hai piccoli pezzi di metallo molto vicini l'uno all'altro, devi preoccuparti di tutti i dettagli. I campi saranno grandi, la situazione sarà complicata e tu sei davvero limitato. Siamo stati in grado di utilizzare un po' di fisica che entra in gioco solo quando le cose sono molto vicine tra loro per aiutare a capire cosa sta succedendo".
La chiave per misurare l'amplificazione della luce si è rivelata misurare qualcos'altro, in particolare la corrente elettrica che scorre tra le punte d'oro.
Mettere le nanopunte così vicine tra loro consente alla carica di fluire attraverso il tunneling quantistico mentre gli elettroni vengono spinti da un lato all'altro. I ricercatori potrebbero far muovere gli elettroni spingendoli a basse frequenze con una tensione, in modo altamente controllabile, modo misurabile. Potrebbero anche farli scorrere facendo brillare il laser, che spinge la carica all'altissima frequenza della luce. Essere in grado di confrontare i due processi ha fissato uno standard in base al quale l'amplificazione della luce potrebbe essere determinata, Natelson ha detto. I loro coautori tedeschi e spagnoli hanno contribuito a fornire la giustificazione teorica necessaria per l'analisi.
L'amplificazione è un effetto plasmonico, Natelson ha detto. plasmoni, che può essere eccitato dalla luce, sono elettroni oscillanti in strutture metalliche che agiscono come increspature in una piscina. "Hai una struttura metallica, tu fai luce su di esso, la luce fa svolazzare gli elettroni di questa struttura metallica, " ha detto. "Puoi pensare agli elettroni nel metallo come un fluido incomprimibile, come l'acqua in una vasca da bagno. E quando li fai sguazzare avanti e indietro, ottieni campi elettrici.
Questa è un'immagine colorata al microscopio elettronico a scansione di punte d'oro in un dispositivo nanogap utilizzato negli esperimenti per catturare e amplificare la luce. Credito:Natelson Lab/Rice University
"Sulle superfici del metallo, questi campi possono essere molto grandi - molto più grandi di quelli della radiazione originale, " ha detto. "Quello che era difficile da misurare era quanto grande. Non sapevamo quanto le due parti stessero sguazzando su e giù - ed è esattamente la cosa a cui teniamo".
Misurando simultaneamente le correnti guidate elettricamente a bassa frequenza e le correnti guidate otticamente ad alta frequenza tra le punte, "possiamo capire la tensione che oscilla avanti e indietro alle frequenze veramente alte che sono caratteristiche della luce, " Egli ha detto.
Natelson ha detto che l'apparato autocostruito del suo laboratorio, che combina elettronica e ottica su scala nanometrica, è abbastanza insolito. "Ci sono molte persone che si occupano di ottica. Ce ne sono molte che eseguono misurazioni elettriche su nanoscala, " ha detto. "Non ci sono ancora troppe persone che combinano i due".
L'attrezzatura personalizzata ha dato ai ricercatori della Rice una misura di controllo sulle proprietà termiche ed elettriche che hanno ostacolato altri ricercatori. Le punte sono raffreddate a 80 Kelvin, circa -315 gradi Fahrenheit, e sono elettricamente isolati dalle loro basi di silicio, tenendo a bada le tensioni vaganti che potrebbero alterare i risultati.
"Il motivo per cui stiamo studiando questi campi potenziati non è solo perché sono lì, " Ha detto Natelson. "Se puoi migliorare il campo locale di un fattore 1, 000, ci sono molte cose che puoi fare in termini di sensori e ottiche non lineari. Tutto ciò che ti dà un'idea di ciò che sta accadendo su queste scale minuscole è molto utile.
"Questo è uno di quei rari, casi felici in cui sei effettivamente in grado di ottenere informazioni - informazioni molto locali - su esattamente qualcosa a cui tieni."
