Forskare vid Chalmers har tillverkat en mycket enkel nanoantenn som kan styra rött och blått ljus i motsatta riktningar, trots att antennen är mindre än ljusets våglängd.

Resultaten – som publicerats i tidskriften Nature Communications – kan leda till optiska nanosensorer med förmåga att upptäcka mycket låga koncentrationer av gaser eller biomolekyler.

En struktur som är mindre än ljusets våglängd (390 till 770 nanometer) ska egentligen inte kunna bryta ljus. Men det är just vad Chalmersforskarnas nanoantenn gör. Tricket som de har använt är att bygga en antenn med en asymmetrisk sammansättning av material, vilket skapar en optisk fasförskjutning.

Antennen består av två nanopartiklar med drygt 20 nanometers mellanrum på en glasyta, den ena i silver och den andra i guld. Chalmersforskarnas experiment har visat att antennen styr synligt ljus så att rött och blått ljus riktas åt motsatta håll.

– Förklaringen till detta ovanliga fenomen är alltså optisk fasförskjutning, säger Timur Shegai som är en av forskarna bakom upptäckten. ”Den beror på att nanopartiklarna av guld och silver har olika optiska egenskaper, framförallt när det gäller plasmonresonans. Plasmonresonans innebär att partiklarnas fria elektroner svänger kraftigt i takt med ljusets frekvens, vilket i sin tur påverkar ljusets utbredning trots att antennen är så liten.

Chalmersforskarnas metod att styra ljuset med hjälp av en asymmetrisk materialsammansättning – till exempel silver och guld – är helt ny. Att bygga nanoantenner på det här sättet är mycket behändigt; forskarna har visat att det går att framställa antennerna tätt på en glasyta med hjälp av en billig metod som kallas för kolloidal litografi.

Forskningsområdet nanoplasmonik är ett snabbt växande fält som handlar om att styra hur synligt ljus uppför sig i nanoskala, med hjälp av olika metallnanostrukturer. Nu har alltså forskarna fått en helt ny parameter – asymmetrisk materialsammansättning – att arbeta med för att kunna styra ljuset.

– Nanoplasmonik kan tillämpas inom en mängd olika områden, säger Mikael Käll, som är professor i forskargruppen på Chalmers.

– Ett exempel är optiska sensorer, där man kan använda plasmoner för att bygga sensorer som är så känsliga att de kan upptäcka mycket lägre halter av till exempel gifter eller signalsubstanser än vad som är möjligt idag. Det kan handla om att upptäcka enstaka molekyler i ett prov, till exempel för att kunna diagnosticera sjukdomar i ett tidigt skede så att man snabbt kan sätta in behandling.”

Resultaten presenteras på en internationell konferens om optiska sensorer på nanonivå som Chalmers arrangerar den här veckan. Chalmers är ett av världens ledande universitet inom nanoplasmoniska biosensorer och 130 forskare från hela världen deltar i konferensen. Dessutom kommer företrädare för industrin att finnas på plats i morgon fredag, för att diskutera hur man kan ta fram olika typer av optiska sensorer, enligt ett pressmeddelande.

Forskningen stöds av Stiftelsen för strategisk forskning. Vetenskapsrådet och Göran Gustafsson Stiftelse.

Filed under: SvenskTeknik