Điều khiển ánh sáng bằng ma trận các hạt nano

Ánh sáng có thể được dẫn và được thao tác ở thang nanomet bằng cách sử dụng các hiệu ứng của vật lý plasmonics, theo những tính toán mới nhất vừa được công bố bởi nhóm các nhà nghiên cứu đến từ Đại học Northwestern (Mỹ).

Maxim Sukharev và Tamar Seideman cũng đã chỉ ra rằng họ có thể tạo ra nguồn sáng kích cỡ nanomet có thể điều khiển tính chất kết hợp cũng như tính chất phân cực. Nguồn sáng này vô cùng quan trọng để tạo ra nhiều linh kiện quang nano khác nhau từ các cảm biến, các khóa đóng mở đến các siêu thấu kính cũng như các linh kiện lưu trữ thông tin quang.

Sử dụng thuật toán phát sinh và các mã song song hóa để giải phương trình Maxwell trong điện động lực học cổ điển, Sukharev và Seideman đã chỉ ra rằng tính chất kết hợp của các dao động tập thể của các điện tử dẫn trong các hạt nano kim loại (gọi là các plasmon) có thể sử dụng để điều khiển sự truyền qua của ánh sáng.

Họ sử dụng một mẫu thử là lớp tiếp xúc hình chữ T được tạo ra bởi các hạt bạc nano hình cầu để chứng minh rằng độ phân cực của ánh sáng có thể dùng để thao tác đường truyền qua của ánh sáng qua hình cầu. Nguyên tắc đơn giản này có thể sử dụng trong các mạch đóng mở quang nano, các bộ đảo mà có thể hoạt động ngoài giới hạn nhiễu xạ.

Hình 1. Phân bố năng lượng điện từ trong mặt phẳng x-y cho 4 hạt nano
(Theo J. Phys. B. 40 (2007) S283-S298).

Các nhà nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng ánh sáng tới có thể bị bẫy bởi các tinh thể plasmonic (là các cấu trúc tuần hoàn tạo ra bởi các hạt nano). Hơn nữa, phụ thuộc vào hình dạng hình học của tinh thể mà ánh sáng có thể bị hội tụ và dẫn trong các cấu trúc nhạy bước sóng.

"Một kết quả khác mà chúng tôi hy vọng có thể mang lại những khả năng ứng dụng đầy thú vị với một số lĩnh vực khác đó là cơ hội tạo ra các các nguồn sáng kích thước nanomet với tính kết hợp và tính chất phân cực có thể điều khiển được," - Seideman phát biểu - "Nguồn sáng như vậy có thể mở rộng một cách hết sức ưu thế những lĩnh vực điều khiển ánh ánh sáng kết hợp đã và đang phát triển từ thế giới vĩ mô về thang vi mô".

Hình 2. Trung bình thời gian của tỉ số năng lượng truyền qua trên năng lượng
truyền đến tại bước sóng 345 nm qua các hệ hạt nano bạc
(Theo J. Phys. B. 40 (2007) S283-S298).

Đồng thời, khả năng thiết kế các linh kiện nano với các chức năng mong muốn của các nhà nghiên cứu cũng có thể tạo ra những ứng dụng hết sức thực tế. "Không những là khả năng tính toán một cách định lượng các phản hồi quang mà còn thiết kế các cấu trúc nano sao cho chúng có các tính chất như mong đợi là hết sức cần thiết để phát triển các linh kiện quang nano, có thể từ các sensor hay khóa đóng mở, cho đến các siêu thấu kính hay các linh kiện lưu trữ thông tin quang" - Seideman nói - "Chúng tôi đang bị cuốn hút bởi khả năng điều khiển đường truyền của sóng ánh sáng tại các nút của tinh thể plasmonic, bẫy và chui hầm ánh sáng trong các tinh thể plasmonic và thiết kế các kinh kiện được chức năng hóa dựa trên khái niệm giao thoa sóng".

Nhóm nghiên cứu đang hy vọng phát triển các linh kiện cực nhanh dựa trên vật lý nano plasmonic. Các đề tài khác bao gồm cả việc tạo ra các nguồn sáng kích thước nano kết hợp có cường độ lớn với độ phân cực có thể điều khiển được, nghiên cứu về động học đơn nguyên tử và phân tử trong trường điện từ điều khiển bởi plasmonic và thiết kế các cấu trúc nano lai hóa tổ hợp bởi các kim loại và bán dẫn với các tính chất quang như mong muốn đang được tiến hành. Xem thêm chi tiết trên Journal of Physics B (Atomic and Molecular Physics).

Nhóm nghiên cứu lãnh đạo bởi Seideman
(University of Northwestern, US)