 |
| Εικόνα από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο ενός nano-ιστού που αποτελείται από αυτόνομους διηλεκτρικούς nano-ράβδους. (Ευγενική παραχώρηση: LPN-CNRS) |
Μπορεί ένα διαφανές υλικό με μεγάλες τρύπες να μπλοκάρει το φως; Κανονικά, η απάντηση θα ήταν όχι, αλλά ερευνητές στη Γαλλία έχουν πλέον δείξει ότι μια δομή που μοιάζει με ιστό που αποτελείται από μια σειρά από ισοκατανεμημένες νανο-ράβδους (nanorods) φαίνεται να μπλοκάρει σχεδόν το 100% του φωτός σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος. Αυτός ο "φωτονικός νανο-ιστός" θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να κάνει μια νέα γενιά οπτικών συσκευών, συμπεριλαμβανομένων και των φίλτρων φωτός και αισθητήρων.
Ο νανο-ιστός έγινε από την ομάδα του Stéphane Collin στο Εργαστήριο Φωτονικής και Νανοδομών στο Marcoussis, Γαλλία. Η ικανότητά του να μπλοκάρει το φως επιβεβαιώνει μια θεωρητική πρόβλεψη, που έκανε πριν από μερικά χρόνια: ότι μια δομή, που μοιάζει με ένα είδος φράγματος περίθλασης από nano-ράβδους κανονικά διατεταγμένους σε μια 2D σειρά αντανακλούν απόλυτα το φως ενός συγκεκριμένου μήκους κύματος.
Η σειρά αποτελείται από διαφανή διηλεκτρικούς nano-ράβδους χωρίς νιτρίδιο του πυριτίου, πάχους περίπου 500 nm που παρατάσσονται σε ένα μονό στρώμα σειρών 3 μm (βλέπε σχήμα). Οι ράβδοι καλύπτουν μόνο το 15% του εμβαδού της επιφανείας και το υπόλοιπο της δομής είναι κενός χώρος. Παρά αυτή την απλότητά της, η κατασκευή αυτή ήταν μία σημαντική πρόκληση, σύμφωνα με την ομάδα.
Από διαφανές σε αδιαφανές
Η 2D συστοιχία επιτρέπει σε ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος του φωτός να περάσει μέσα από αυτό, όπως αναμενόταν, αλλά το υπέρυθρο φως που έχει ένα μήκος κύματος των 3,2 μm ακριβώς σχεδόν εξολοκλήρου ανακλάται από το υλικό. "Βρήκαμε ότι η οπτική απόκριση των μεταβολών ενός nano-ιστού σε ένα πολύ στενό φασματικό εύρος είναι ότι η δομή πηγαίνει από διαφανής σε αδιαφανή στην περιοχή αυτή," εξηγεί Collin. "Το φως με μήκος κύματος 3 μm μεταδίδεται διαμέσου του ιστού αλλά η μετάδοση φωτεινού σήματος στα 3.2 μm πέφτει απότομα."
Η 2D συστοιχία επιτρέπει σε ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος του φωτός να περάσει μέσα από αυτό, όπως αναμενόταν, αλλά το υπέρυθρο φως που έχει ένα μήκος κύματος των 3,2 μm ακριβώς σχεδόν εξολοκλήρου ανακλάται από το υλικό. "Βρήκαμε ότι η οπτική απόκριση των μεταβολών ενός nano-ιστού σε ένα πολύ στενό φασματικό εύρος είναι ότι η δομή πηγαίνει από διαφανής σε αδιαφανή στην περιοχή αυτή," εξηγεί Collin. "Το φως με μήκος κύματος 3 μm μεταδίδεται διαμέσου του ιστού αλλά η μετάδοση φωτεινού σήματος στα 3.2 μm πέφτει απότομα."
Παρά το γεγονός ότι ο nano-ιστός μοιάζει με ένα πολύ αραιό φράγμα περίθλασης, συμπεριφέρεται στην πραγματικότητα περισσότερο σαν ένα κρύσταλλο με ράβδους που ενεργεί σαν μία μόνο στιβάδα από άτομα που πολλαπλασιάζουν τη διάχυση του φωτός. "Το προσπίπτον φως για πρώτη φορά διαχέεται από κάθε nano-βάβδο και στη συνέχεια μερικό από αυτό το διαχεόμενο φως προσπίπτει σε άλλους nano-ραβδους και διαχέεται και πάλι", λέει το μέλος της ομάδας Petru Ghenuche. "Μια παρεμβολή κυμάτων φωτός συσσωρεύεται από αυτήν την διαδικασία πολλαπλής σκέδασης στο επίπεδο των σκεδαστών και, τέλος, το άθροισμα του σκεδαζόμενου φωτός εκπέμπεται σε κατευθύνσεις, τόσο προς τα εμπρός όσο και προς τα πίσω."
Στην προς τα εμπρός κατεύθυνση, οι κύματα φωτός σκεδάζονται από τις ράβδους και η μετάδοση μέσω των ράβδων ακυρώνεται από καταστροφική παρεμβολή, που οδηγεί σε τέλεια οπτική εξαφάνιση και 100% αντανάκλαση του φωτός, εξηγεί.
Περίθλαση Bragg, αλλά όχι αρκετά
Το αποτέλεσμα είναι παρόμοιο με το πλέον γνωστό φαινόμενο της περίθλασης Bragg, η οποία συμβαίνει σε 3D κρυσταλλικά πλέγματα και τα δύο φαινόμενα λαμβάνουν χώρα χάρη σε σκεδαστές με ένα μικρό εμβαδόν διατομής. Η διαφορά, ωστόσο, είναι ότι η παρέμβαση στην περίθλαση Bragg περιλαμβάνει ένα μεγάλο αριθμό επιπέδων, ενώ στο nano-ιστό σχεδόν το 100% των φωτονίων αλληλεπιδρούν με τους σκεδαστές σε ένα μόνο επίπεδο πλέγματος, εξηγεί ο Collin.
Μέχρι τώρα, η έρευνα σε νανοδομές που αλληλεπιδρούν έντονα με το φως με τον τρόπο αυτό περιορίζεται σε μεταλλικές νανοδομές, όπως νανοσωματίδια χρυσού. Σε τέτοιες νανοδομές, οι συλλεκτικές ταλαντώσεις σε επιφάνεια ηλεκτρονίων - που ονομάζεται επιφάνεια πλασμονίων - έντονα απορροφούν ή σκεδάζουν το φως. Η νέα μελέτη δείχνει ότι αυτές οι ισχυρές αλληλεπιδράσεις μπορούν επίσης να παραχθούν με μια περιοδική διάταξη των ανεξάρτητων διηλεκτρικών δομών, όπως οι nano-ράβδοι από νιτρίδιο του πυριτίου .
Το αποτέλεσμα είναι παρόμοιο με το πλέον γνωστό φαινόμενο της περίθλασης Bragg, η οποία συμβαίνει σε 3D κρυσταλλικά πλέγματα και τα δύο φαινόμενα λαμβάνουν χώρα χάρη σε σκεδαστές με ένα μικρό εμβαδόν διατομής. Η διαφορά, ωστόσο, είναι ότι η παρέμβαση στην περίθλαση Bragg περιλαμβάνει ένα μεγάλο αριθμό επιπέδων, ενώ στο nano-ιστό σχεδόν το 100% των φωτονίων αλληλεπιδρούν με τους σκεδαστές σε ένα μόνο επίπεδο πλέγματος, εξηγεί ο Collin.
Μέχρι τώρα, η έρευνα σε νανοδομές που αλληλεπιδρούν έντονα με το φως με τον τρόπο αυτό περιορίζεται σε μεταλλικές νανοδομές, όπως νανοσωματίδια χρυσού. Σε τέτοιες νανοδομές, οι συλλεκτικές ταλαντώσεις σε επιφάνεια ηλεκτρονίων - που ονομάζεται επιφάνεια πλασμονίων - έντονα απορροφούν ή σκεδάζουν το φως. Η νέα μελέτη δείχνει ότι αυτές οι ισχυρές αλληλεπιδράσεις μπορούν επίσης να παραχθούν με μια περιοδική διάταξη των ανεξάρτητων διηλεκτρικών δομών, όπως οι nano-ράβδοι από νιτρίδιο του πυριτίου .
"Ένα τεράστιο πλεονέκτημα της δομής nano-ιστού μας είναι ότι η αλληλεπίδραση με το φως μπορεί εύκολα να ρυθμιστεί μεταβάλλοντας το χρονικό διάστημα μεταξύ των nano-ράβδων και / ή τη διάμετρό τους και ως εκ τούτου δεν περιορίζεται στο φάσμα των συχνοτήτων των συγκεκριμένων πλασμονίων σε μια δεδομένη μεταλλική νανοδομή," λέει ο Collin. "Το να είσαι σε θέση να μπλοκάρεις το φως στις ορατές συχνότητες και όχι μόνο σε αυτές της υπέρυθρης ακτινοβολίας, είναι σαφώς ο βραχυπρόθεσμος στόχος μας και επίσης ασχολούμαστε μελέτες nano-ιστών, που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές ανίχνευσης φωτός."
Η εργασία αυτή δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review Letters.
Πηγή, physicsworld
Απόδοση, Δημήτρης Γιάκας
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου