Links de normale lichtvoortplanting vanuit een puntbron, rechts de concave (afb: nanoGUNE)
Licht dat uit een puntbron komt verspreidt zich normaal in alle richtingen, concentrisch, net als de watergolven die ontstaan als er een steen in de vijver is gegooid. Onderzoekers uit Spaans Baskenland hebben nu speciale oppervlakken gemaakt, zogeheten hyperbole metastructuren of oppervlakken, die het licht ‘op zijn kop’ zetten, waarbij de lichtgolven zich vanuit een puntbron nog maar in bepaalde richtingen voortplanten. Ze maakten die golffronten met een relatief nieuwe microscooptechniek zelfs zichtbaar. De onderzoekers denken dat dit resultaat de basis legt voor het verkleinen van optische componenten voor sensoren en signaaloverdracht (de lichtcomputer?)..
Wetenschappers van het Baskische nannocentrum nanoGUNE
hadden al voorspeld dat op bepaalde wijze gestructureerde oppervlakken de golffronten van licht kunnen ‘omkeren’. “Op zulke oppervlakken planten te golven vanuit een puntbron zich alleen in bepaalde richtingen voort, met open (concave) golffronten”, legt promovendus Javier Alfaro uit. Deze ongewone golven worden hyperbole oppervlaktepolaritons genoemd.
Doordat ze zich alleen in bepaalde richtingen voortplanten en golflengtes hebben die veel kleiner zijn dan van licht dat zich in een vrije ruimte of via normale lichtgeleiders beweegt, zou dit fenomeen iets kunnen betekenen bij het verkleinen van optische systemen voor signaalverwerking en voor sensoren.
In dit geval ontwikkelden de onderzoekers een metaoppervlak voor infrarood, dat is gebaseerd op tweedimensionaal boornitride, net als grafeen. Boornitride werd de keus vanwege zijn vermogen ir-licht te manipuleren in uiterst kleine schaal. We praten dan over chemische sensoren af warmtesystemen op nanoschaal voor opto-elektronische apparaten.
De onderzoekers konden ook direct de concave golffronten waarnemen met behulp van een speciale lichtmicroscoop, hetgeen tot nu toe niet mogelijk zou zijn geweest.
Lastig
Die hyperbole metastructuren schijnen lastig zijn te maken, aangezien een uiterste precisie wordt geēist. De onderzoekers maakten bij de fabricage gebruik van een elektronenstraallithograaf waarmee dunne laagjes boornitride werden weggeētst. “Na een paar proefrondes slaagden we er in structuren te maken met openingen tot 25 nanometer (een nm is eenmiljoenste millimeter;as)”, zegt medeonderzoekster Irene Dolado. “Dezelfde methodes kunnen ook voor andere materialen gebruikt worden, waarmee het dus mogelijk is geworden kunstmatige metaoppervlaktestructuren te verwezenlijken met specifieke optische eigenschappen”, voegt Saül Vélez daar aan toe, tegenwoordig werkzaam aan de ETH in Zūrich.
Voor hun speciale microscoop maakten de onderzoekers gebruik van infraroodnanobeeltechniek die bij nanoGUNE haar doopceel zou hebben staan. Bij wijze van steen-inde-vijver gebruikten ze een goudklontje dat op het metaoppervlak werd geplaatst. Dat (nano)klontje concentreert het licht in een puntbron, die de lichtgolven uitzendt die zich voortplanten over het metaoppervlak. Met een verstrooiende raster-nabijveldmicroscoop (in Engelse afko s-SNOM) konden de onderzoekers de lichtgolven in beeld brengen “Het was prachtig om die beelden te zien”, zegt hoofdauteur Richard Hillenbrand. “Ze vertoonden inderdaad de concave kromming van de golffronten die zich voortplantten vanuit de goudkorrel, precies zo als de theorie het voorspelt.”
Bron: EurekAlert