Het nanofotonica-orkest presenteert: Twisting to the light of nanoparticles

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Laser & Photonic Reviews.  

In de 17e en 18e eeuw produceerde de Italiaanse meester-ambachtsman Antonio Stradivari muziekinstrumenten van legendarische kwaliteit, en het meest bekend zijn zijn (zogenaamde) Stradivarius-violen. Wat de muzikale output van deze muziekinstrumenten zowel mooi als uniek maakt, is hun specifieke timbre, ook wel toonkleur of toonkwaliteit genoemd. Alle instrumenten hebben een timbre – wanneer een muzieknoot (geluid met frequentie fs) wordt gespeeld, creëert het instrument harmonischen (frequenties die een geheel veelvoud zijn van de initiële frequentie, d.w.z. 2fs, 3fs, 4fs, 5fs, 6fs, enz.).

Evenzo, wanneer licht van een bepaalde kleur (met frequentie fc) op materialen schijnt, kunnen deze materialen harmonischen produceren (lichtfrequenties 2fc, 3fc, 4fc, 5fc, 6fc, enz.). De harmonischen van licht onthullen ingewikkelde materiaaleigenschappen die worden toegepast in medische beeldvorming, communicatie en lasertechnologie.

Zo is vrijwel elke groene laserpointer in feite een infrarood laserpointer waarvan het licht onzichtbaar is voor het menselijk oog. Het groene licht dat we zien is eigenlijk de tweede harmonische (2fc) van de infrarode laseraanwijzer en wordt geproduceerd door een speciaal kristal in de aanwijzer. 

In zowel muziekinstrumenten als glanzende materialen zijn sommige frequenties ‘verboden’ – dat wil zeggen, ze kunnen niet worden gehoord of gezien omdat het instrument of materiaal ze actief opheft. Omdat de klarinet een rechte, cilindrische vorm heeft, onderdrukt hij alle even harmonischen (2fs, 4fs, 6fs, enz.) en produceert alleen oneven harmonischen (3fs, 5fs, 7fs, enz.). Een saxofoon daarentegen heeft een conische en gebogen vorm die alle boventonen toelaat en resulteert in een rijker, vloeiender geluid. Enigszins vergelijkbaar, wanneer een specifiek type licht (circulair gepolariseerd) schijnt op metalen nanodeeltjes die in een vloeistof zijn verspreid, kunnen de vreemde harmonischen van licht zich niet voortplanten in de richting van het licht en zijn de overeenkomstige kleuren verboden.

Nu heeft een internationaal team van wetenschappers onder leiding van onderzoekers van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Bath een manier gevonden om de verboden kleuren te onthullen, wat neerkomt op de ontdekking van een nieuw fysiek effect. Om dit resultaat te bereiken, hebben ze hun experimentele apparatuur ‘gebogen’.  

Toch niet ‘te ongrijpbaar’ 

Onderzoeksleider Ventsislav Valev: "Het idee dat de draaiing van nanodeeltjes of moleculen kan worden onthuld door zelfs harmonischen van licht, werd meer dan 42 jaar geleden voor het eerst geformuleerd door een jonge promovendus – David Andrews. David dacht dat zijn theorie te ongrijpbaar was om ooit experimenteel te worden gevalideerd, maar twee jaar geleden hebben we dit fenomeen aangetoond. Nu ontdekten we dat de draaiing van nanodeeltjes ook kan worden waargenomen in de oneven harmonischen van licht. Het is vooral verheugend dat de relevante theorie werd geleverd door niemand minder dan onze co-auteur en tegenwoordig een gevestigde professor – David Andrews!

"Om een ​​muzikale analogie te nemen, tot nu toe hebben wetenschappers die verdraaide moleculen (DNA, aminozuren, eiwitten, suikers, enz.) frequentie of zijn ruis (inharmonische partiële boventonen). Onze studie opent de studie van de harmonische handtekeningen van deze verwrongen moleculen. We kunnen dus voor het eerst hun ‘timbre’ waarderen.

"Vanuit praktisch oogpunt bieden onze resultaten een rechttoe rechtaan, gebruiksvriendelijke experimentele methode om een ​​ongekend inzicht te krijgen in de interacties tussen licht en gedraaide materialen. Dergelijke interacties vormen de kern van opkomende nieuwe nanotechnologieën in communicatie, nanorobotica en ultradunne optische componenten. Zo kan de ‘twist’ van nanodeeltjes de waarde van informatiebits bepalen (voor linkshandige of rechtshandige twist). Het is ook aanwezig in de propellers van nanorobots en kan de voortplantingsrichting van een laserstraal beïnvloeden. Bovendien is onze methode toepasbaar in kleine volumes verlichting, geschikt voor de analyse van natuurlijke chemische producten die veelbelovend zijn voor nieuwe geneesmiddelen maar waar het beschikbare materiaal vaak schaars is.