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

Next