Piepkleine antenne stuurt lichtbundel op nanoschaal

Samenvatting

Een extreem kleine antenne kan licht op nanoschaal sturen, zo lieten wetenschappers van het FOM-instituut AMOLF voor het eerst in de praktijk zien.
 

Piepkleine antenne stuurt lichtbundel op nanoschaal

25 aug 2011     Antennes hebben een grootte die vergelijkbaar is met de golflengte van de golf die ze kunnen opvangen en verzenden. Zichtbaar licht heeft een zeer korte golflengte. Dat betekent dat een goede antenne voor zichtbaar licht meer dan duizend tot honderdduizend keer kleiner moet zijn als onze UHF yagi's.

De antenne die promovendus Toon Coenen en zijn collega's op AMOLF gemaakt hebben, bestaat uit vijf extreem kleine gouden nanodeeltjes, die heel netjes op een rijtje geplaatst zijn. Elk nanodeeltje heeft een sterke gevoeligheid voor zichtbaar licht, dat zich uit in een resonantie die veroorzaakt wordt door het heen en weer bewegen van vrije elektronen in het metaal. De sterke wisselwerking van zulke resonanties met licht kent men al sinds eeuwen: deze veroorzaken namelijk het diepste rood in glas-in-lood ramen. Met nanofabricage kunnen onderzoekers zulke deeltjes nu zo precies rangschikken, dat ze samen een antenne vormen die een miljoen keer kleiner is dan een UHF-antenne (maar precies op dezelfde manier werkt).

Aansturing als zendantenne
De nanodeeltjes die samen de antenne vormen, zijn zo verschrikkelijk klein dat het onmogelijk is om ze afzonderlijk te kunnen zien of aansturen met een optische microscoop. De onderzoekers gebruikten daarom een vijf nanometer dikke elektronenbundel van een elektronen microscoop om de antenne heel precies te kunnen sturen. De elektronenbundel brengt de deeltjes in hun aangeslagen toestand waardoor zij vervolgens licht uitzenden. Deze techniek, ook wel ‘cathodoluminescentie spectroscopie’ genoemd, is door de onderzoekers zo aangepast dat het nu voor het eerst mogelijk is om ook de richting waarin het licht wordt uitgezonden te sturen. Omdat de elektronenbundel heel nauw gefocusseerd kan worden, is het mogelijk een enkel nanodeeltje uit de antenne aan te slaan. Interactie met de andere deeltjes zorgt er vervolgens voor dat het licht in een bepaalde richting wordt uitgezonden. Het is te vergelijken met het gericht sturen van radiobundels met antennes door te kiezen op welke elementen een stroom gezet wordt. De wetenschappers hebben aangetoond dat ze op deze manier de richting van de lichtbundel kunnen beinvloeden op een schaal die veel kleiner is dan de golflengte van het licht. Dat was voorheen niet mogelijk en biedt mogelijkheden voor heel kleine optische systemen.

(Pieter J.T.Bruinsma, PA0PHB) 

Referenties, informatie:

Amsterdam Science Park => nieuwsbericht
ACS => publication

Een 5-elements optische antenne
Een 5-elements optische antenne

lll