Gespleten lichtgolf schakelt nano-antennes aan en uit

Onderzoekers van de FOM-instituten Amolf en Differ hebben, in samenwerking met Philips Lighting, een manier gevonden om de antennewerking van metalen nanodeeltjes aan en uit te schakelen. Nanoantennes zijn gevoelige ontvangers en versterkers van licht, met toepassingen van medische sensoren en verlichting tot betere zonnecellen.

In Physical Review Letters beschrijft de onderzoeksgroep van Jaime Gomez-Rivas hoe ze de nanoantennes tijdens gebruik af kunnen stemmen op optimale ontvangst en minimale verspilling van licht. Zij gebruiken hiervoor nauwkeurig afgestemde lichtgolven.

 

Nanofotonica

Metalen nanodeeltjes van miljardste meters groot reageren bijzonder sterk op licht. De onderzoeksgroep van Jaime Gomez-Rivas (Amolf, Differ en TU/e) specialiseert zich in zulke nanofotonica, waar verrassende effecten mogelijk zijn. De elektronen aan het metaaloppervlak bewegen mee met licht in de omgeving. Zo kunnen metalen nanodeeltjes als een antenne licht ontvangen en verzenden.

 

Nanodeeltjes versterken en verspillen licht

In de PRL-publicatie beschrijft het team hoe een rooster van metalen piramides van tientallen nanometers groot de lichtopbrengst van omringende fluorescerende moleculen beïnvloedt. Fluorescerende moleculen absorberen licht van de ene golflengte en zenden dat uit op een andere golflengte. Ze worden bijvoorbeeld gebruikt om witte ledlampen te ontwikkelen.

 

Als de moleculen tijdens het uitzenden van licht worden versterkt door metalen nanoantennes is in bepaalde richtingen een hogere lichtopbrengst mogelijk. Tegelijkertijd zijn zulke nanoantennes zo gevoelig, dat ze ook het licht opslurpen dat de fluorescerende moleculen van energie moet voorzien. Daarbij gaat tot vijftig procent van de aangevoerde energie verloren.

 

Schakelaar

De antennewerking van nanodeeltjes leek lange tijd een intrinsieke eigenschap die niet 'aan' of 'uit' kan staan. Promovendus Giuseppe Pirruccio (Amolf en Unam) kreeg het toch voor elkaar de antennewerking te dimmen, door de aangevoerde lichtgolven te splitsen. Als de top van de ene lichtgolf samenvalt met het dal van de andere, vallen de nanoantennes stil terwijl de fluorescerende moleculen in hun omgeving nog wél energie opnemen. "De fluorescerende moleculen hebben even nodig om het aangevoerde licht om te zetten en weer uit te zenden", zegt mede-onderzoeker Mohammad Ramezani: "via deze opstelling kun je de storende nanoantennes uitzetten terwijl je energie aanvoert, om ze weer in te schakelen als ze het uitgezonden licht kunnen versterken."

 

Coherent control of the optical absorption in a plasmonic lattice coupled to a luminescent layer, Giuseppe Pirruccio, Mohammad Ramezani, Said Rahimzadeh-Kalaleh Rodriguez et al, Phys. Rev. Lett. 116, 103002.