Élet és Tudomány, 2015. január-június (70. évfolyam, 1-26. szám)
2015-01-02 / 1. szám
Irányítottan sugárzó nano fényantennák Holland kutatók újfajta nanoantennákat fejlesztettek ki, amelyek megfelelő nanoszerkezetekbe (tömbökbe) rendezve a hullámhossztól (színtől) függően más irányokba szórják és másként erősítik a fényt, így segítségükkel a félvezető mikrofényforrások (LED-ek) fényének intenzitása és irányítottsága az eddigieknél sokkal pontosabban és kisebb veszteséggel szabályozható. Az eredményről a kutatók a Physical Review Britmben számoltak be. A hagyományos, rúd alakú fém nanoantennák alapvetően a fény elektromos terével lépnek kölcsönhatásba, a fény energiájának felét hordozó mágneses térrel nem, vagy csak alig. A metaanyagok gyors fejlődése azonban gyökeresen változtatott ezen a helyzeten: ami korábban lehetetlennek tűnt, az ma már megfelelő nanoszerkezetekkel megvalósítható, így olyan nanoantennák is kifejleszthetők, amelyek a fény mágneses terével is erősen kölcsönhatnak. A holland Atom- és Molekulafizikai Intézet (AMOLF) és a Philips cég kutatóinak mostani kísérletei azokon az elméleti modellszámításokon alapulnak, amelyeket Milton Kerker fizikusprofesszor és munkatársai végeztek el még mintegy 30 éve: azt vizsgálták, hogyan szórná a fényt egy olyan feltételezett anyagból készült gömb, amelynek a mágneses és elektromos tér hatására adott válasza (polarizálhatósága) közel egyforma. A gömb sugarát a fény hullámhosszánál kisebbre csökkentve azt találták, hogy a szórás irányfüggése drasztikusan megváltozik: a szóródó fény irányával megegyező „előreszórás” teljesen eltűnik, miközben a vele ellentétes „visszaszórás” nagyon erőssé válik. Akkoriban persze nem létezett olyan (természetes) anyag, amelyen az elmélet jóslata kísérletileg ellenőrizhető lett Az aluminium nanoantenna (fekete körvonal) így torzítja volna. Most azonban a Jaime el a felülről érkező fényhullám elektromágneses tereit. Gother RivdS (AMOLF) A színezés a szórt mágneses tér intenzitását, a nyilak a szórt vezette kutatóCSoport ezen elektromos tér irányát és nagyságát jelzik, láthatóan a szórt számításokra és a nanofény intenzitása felfelé nagyobb, mint lefelé. technológia azóta bekövetképek: s. r. K. Rodriguez ETAL, PHYs. rev. lett. (2014) között fejlődésére alapozva lehetőséget látott arra, hogy fém nanorészecskék alakjának megfelelő formálásával a tényleges kísérleteket is elvégezzék. Modellszámítások alapján végül egy alumíniumból készült csonkagúla formájú nanorészecskénél kötöttek ki, amelynek négyzetes alaplapja 150 nanométer (nm), 150 nm magasságban lévő fedőlapja 70 nm méretű. Egyetlen ilyen nanoantenna a ráeső fényt a beérkezés irányától és hullámhosszától függően rendkívül bonyolult módon szórja, ám a gúla függőleges tengelye mentén bejövő vörös fény esetében a mágneses és elektromos polarizálhatósága közel egyenlő, és itt valóban megfigyelhető volt a Kerker és munkatársai által megjósolt effektus (előreszórás eltűnése és maximális intenzitású hátraszórás), amely 650 nm-es hullámhossznál érte el maximumát. Látván, hogy az egyedi nanoantennák esetében az elméleti jóslat helytálló volt, a kutatók arra is kíváncsiak lettek, mi történik akkor, ha a nanoantennákat tömbbe rendezik? Szilícium hordozón 400 nm-es állandójú négyzetrácsba rendezték őket, majd az így kapott lapkát szerves, fmnineszcens festékanyaggal (melynek molekulái kék lézerfénnyel gerjesztve vörös fényt bocsátanak ki) átitatott polisztirén réteggel vonták be. Majd (nem a festékanyag közvetítésével, hanem külső vörös fényforrással) megvizsgálták, hogyan szórja a tömb a vörös fényt az 550 és 700 nm közti tartományban. 660 nm-nél a tömb szinte teljesen átlátszatlan volt, mivel itt az egyes nanoantennák fényelnyelése maximális, az elnyelt energia teljes egészében lokalizált felületi elektronoszcillációk (plazmonok) keltésére fordítódik. 600 nm környékén azonban a tömb szinte teljesen átlátszóvá vált, itt viszont a nanoantennák nem egyedileg, hanem a négyzetrácsban egymással is kölcsönhatva kollektíve hatnak kölcsön a fénnyel, megkönnyítve annak áthaladását. Végül 580 nm táján a fényáteresztés ismét csökkenni kezdett. Az utolsó kísérletsorozatban a kutatók kék lézerfénnyel a festékmolekulákat gerjesztették, és a lumineszcens vörös fény szóródását vizsgálták. Miként az már a korábbi kísérletek alapján várható volt, a hullámhossztól füg 580 620 660 Hulámhossz (nm) 700 Az egyedi (vörös vonal), illetve a négyzetrácsba rendezett nanoantennák fénykibocsátási intenzitásának összehasonlítása a hullámhossz függvényében. A betétképen a nanoantennák tömbjéről készült elektronmikroszkópos felvétel, itt a nyilak iránya a maximális erősítés irányát mutatja, színezésük a grafikonokénak megfelelően utal az egyedi, illetve kollektív erősítésre . u*/ 2015 A FÉNY NEMZETKÖZI ÉVE Élet és Tudomány ■ 2015/1 ■ 3 0o