Piepkleine nano-antenne zorgt voor doorbraak
Een extreem kleine antenne met vijf gouden nanodeeltjes kanlicht op nanoschaal sturen. Wetenschappers van het FOM-instituutAMOLF hebben dit voor het eerst in de praktijk getoond. Hetbetekent een doorbraak voor optische sturingssystemen in kleineapparatuur.
Voor de miljoen maal kleinere tv-antenne moesten promovendusToon Coenen en zijn collega’s op AMOLF zelf een nieuwe meettechniekontwikkelen. Hun antenne bestaat uit vijf extreem kleine goudennanodeeltjes, die heel netjes op een rijtje geplaatst zijn. Elknanodeeltje heeft een sterke gevoeligheid voor zichtbaar licht, datzich uit in een resonantie die veroorzaakt wordt door het heen enweer bewegen van vrije elektronen in het metaal.
De sterke wisselwerking van zulke resonanties met licht kent menal sinds eeuwen: deze veroorzaken namelijk het diepste rood inglas-in-lood ramen. Met nanofabricage kunnen onderzoekers zulkedeeltjes nu zó precies rangschikken, dat ze samen een antennevormen die een miljoen keer kleiner is dan een TV-antenne (maarprecies op dezelfde manier werkt).
Richting van de lichtbundel beïnvloeden
De nanodeeltjes die samen de antenne vormen, zijn zoverschrikkelijk klein dat het onmogelijk is om ze afzonderlijk tekunnen zien of aan te sturen met een optische microscoop. Deonderzoekers gebruikten daarom een vijf nanometer dikkeelektronenbundel van een elektronen microscoop om de antenne heelprecies te kunnen sturen. De elektronenbundel brengt de deeltjes inhun aangeslagen toestand waardoor zij vervolgens lichtuitzenden.
Deze meettechniek, ook wel ‘cathodoluminescentie spectroscopie’genoemd, is door de onderzoekers zó aangepast dat het nu voorhet eerst mogelijk is om ook de richting waarin het licht wordtuitgezonden te meten, en te sturen. Omdat de elektronenbundel heelnauw gefocusseerd kan worden, is het mogelijk een enkel nanodeeltjeuit de antenne aan te slaan.
Interactie met de andere deeltjes zorgt er vervolgens voor dathet licht in een bepaalde richting wordt uitgezonden. Dit is sterkafhankelijk van de golflengte en de positie van het deeltje datwordt aangeslagen. Het is te vergelijken met het gericht sturen vanradiobundels met antennes door te kiezen op welke elementen eenstroom gezet wordt.
De wetenschappers hebben aangetoond dat ze op deze manier de richting van de lichtbundel kunnen beïnvloeden op een schaal dieveel kleiner is dan de golflengte van het licht. Dat was voorheenniet mogelijk en biedt mogelijkheden voor heel kleine optischesystemen.
Belang van de ontdekking
Antennes zijn overal om ons heen aanwezig om(elektromagnetische) golven efficiënt te kunnen verzenden enontvangen: op daken en balkons, in radio, laptop, navigatiesysteemen mobiele telefoon. Deze antennes zijn ontworpen voor radio- enmicrogolven met golflengtes variërend van meters tot millimeters.De antennes hebben een grootte die vergelijkbaar is met degolflengte van de golf die ze kunnen opvangen en verzenden.Zichtbaar licht heeft een veel kortere golflengte. Dat betekent dateen goede antenne voor zichtbaar licht meer dan duizend tothonderdduizend keer zo klein moet zijn.
Deze doorbraak is van groot belang voor het ontwerpen van kleineefficiënte antennes, voor toekomstig gebruik in zonnecellen,ultrakleine sensoren, optische computerchips enquantumcomputers.
De onderzoekers publiceren hun resultaten vandaag in hettoonaangevende tijdschrift Nano Letters.
Het onderzoek is uitgevoerd door FOM-onderzoekers ToonCoenen, Ernst Jan Vesseur, Albert Polman en Femius Koenderink enmede mogelijk gemaakt dankzij financiering door de Stichting FOM enNWO Vernieuwingsimpuls.
