17 feb. 1999
2 minuten
Een extreem kleine antenne kan licht op nanoschaal sturen, zo lieten wetenschappers van het FOM-instituut Amolf voor het eerst in de praktijk zien. Zij ontwikkelden hiervoor zelf een nieuwe meettechniek. Deze doorbraak is van groot belang voor het ontwerpen van kleine efficiënte antennes, voor toekomstig gebruik in zonnecellen, ultrakleine sensoren, optische computerchips en quantumcomputers.
Antennes zijn overal om ons heen aanwezig om (elektromagnetische) golven efficiënt te kunnen verzenden en ontvangen: op daken en balkons, in radio, laptop, navigatiesysteem en mobiele telefoon. Deze antennes zijn ontworpen voor radio- en microgolven met golflengtes variërend van meters tot millimeters. De antennes hebben een grootte die vergelijkbaar is met de golflengte van de golf die ze kunnen opvangen en verzenden. Zichtbaar licht heeft een veel kortere golflengte. Dat betekent dat een goede antenne voor zichtbaar licht meer dan duizend tot honderdduizend keer zo klein moet zijn.
TV-antenne
De antenne die promovendus Toon Coenen en zijn collega’s op Amolf nu gemaakt hebben, bestaat uit vijf extreem kleine gouden nanodeeltjes, die heel netjes op een rijtje geplaatst zijn. Elk nanodeeltje heeft een sterke gevoeligheid voor zichtbaar licht, dat zich uit in een resonantie die veroorzaakt wordt door het heen en weer bewegen van vrije elektronen in het metaal. De sterke wisselwerking van zulke resonanties met licht kent men al sinds eeuwen: deze veroorzaken namelijk het diepste rood in glas-in-lood ramen. Met nanofabricage kunnen onderzoekers zulke deeltjes nu zó precies rangschikken, dat ze samen een antenne vormen die een miljoen keer kleiner is dan een TV-antenne (maar precies op dezelfde manier werkt).
Cathodoluminescentie
De nanodeeltjes die samen de antenne vormen, zijn zo verschrikkelijk klein dat het onmogelijk is om ze afzonderlijk te kunnen zien of aansturen met een optische microscoop. De onderzoekers gebruikten daarom een vijf nanometer dikke elektronenbundel van een elektronenmicroscoop om de antenne heel precies te kunnen sturen. De elektronenbundel brengt de deeltjes in hun aangeslagen toestand waardoor zij vervolgens licht uitzenden. Deze meettechniek, ook wel ‘cathodoluminescentiespectroscopie’ genoemd, is door de onderzoekers zó aangepast dat het nu voor het eerst mogelijk is om ook de richting waarin het licht wordt uitgezonden te meten, en te sturen. Omdat de elektronenbundel heel nauw gefocusseerd kan worden, is het mogelijk een enkel nanodeeltje uit de antenne aan te slaan.
Interactie met de andere deeltjes zorgt er vervolgens voor dat het licht in een bepaalde richting wordt uitgezonden. Dit is sterk afhankelijk van de golflengte en de positie van het deeltje dat wordt aangeslagen. Het is te vergelijken met het gericht sturen van radiobundels met antennes door te kiezen op welke elementen een stroom gezet wordt. De wetenschappers hebben aangetoond dat ze op deze manier de richting van de lichtbundel kunnen beïnvloeden op een schaal die veel kleiner is dan de golflengte van het licht. Dat was voorheen niet mogelijk en biedt mogelijkheden voor heel kleine optische systemen.
Het onderzoek is uitgevoerd door FOM-onderzoekers Toon Coenen, Ernst Jan Vesseur, Albert Polman en Femius Koenderink en mede mogelijk gemaakt dankzij financiering door de Stichting FOM en NWO Vernieuwingsimpuls.
Directional emission from plasmonic Yagi Uda antennas probed by angle-resolved cathodoluminescence spectroscopy T. Coenen, E.J.R. Vesseur, A. Polman & A.F. Koenderink Nano Letters DOI: 10.1021/nl201839g http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/nl201839g
Anderen lazen ook
