Stichting FOM
4 augustus 2011, 2011/32
Piepkleine antenne stuurt lichtbundel op nanoschaal
Miljoen maal kleinere tv-antenne maakt optische sturingssystemen in
kleine apparatuur mogelijk
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. De
onderzoekers publiceren hun resultaten vandaag in het toonaangevende
tijdschrift Nano Letters.
vergroten Figuur 1. De antenne
De onderzoekers fabriceerden een antenne van vijf goud deeltjes in een
rij met een totale lengte van 650 nanometer, ongeveer de golflengte van
licht. Deze antenne is een één miljoen keer verkleinde versie van de
antenne die de Japanse wetenschappers Yagi en Uda in de jaren 1920-1930
ontwierpen voor radiogolven. In het experiment kan elk deeltje
afzonderlijk aangedreven worden met een elektronenbundel, waarna de
antenne licht uitstraalt.
vergroten Figuur 2. De elektronbundel
Als de antenne met de elektronbundel (helemaal links) aangeslagen
wordt, zendt hij een sterk gerichte bundel uit. Zoals de meting
(midden) en doorsnede door de meting (rechts) laten zien, is de bundel
naar rechts gericht voor blauw licht (500 nm). Voor rood licht wijst de
uitgaande bundel naar links. Door de elektronbundel op andere deeltjes
te richten, kan het stralingsprofiel gemanipuleerd worden. Dit is te
vergelijken met het gericht sturen van radiobundels met antennes, door
te kiezen op welke elementen een stroom gezet wordt.
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 elektronen
microscoop 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
`cathodoluminescentie spectroscopie' 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.
Referentie
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
Meer informatie voor de redactie
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met:
Toon Coenen MSc, tel. 06 13 29 76 73
Dr. Femius Koenderink