Ljusdosan som öppnar nya dörrar i nanovärlden

Fotonik handlar om hur ljus kan användas på olika sätt. Kommunikation genom optiska fibrer är ett exempel på fotonik, liksom tekniken bakom fotodetektorer och solceller. När fotonikkomponenterna är så små att de mäts i nanometer, kallas det för nanofotonik. För att tänja på gränserna för vad som är möjligt i det lilla formatet är framsteg inom grundforskningen avgörande. Chalmersforskarnas nyskapande ”ljusdosa” gör så att växlingarna mellan ljus och materia sker så snabbt att det inte längre går att skilja de två tillstånden åt. Ljus och materia blir till ett.

Med hjälp av en dosa byggd av staplade atomtunna lager av materialet wolframdisulfid (se atommodell) har Chalmersforskare lyckats skapa en typ av rundgång där ljus och materia blir till ett. Det nya konceptet innebär att två skilda processer nu ryms i en och samma lilla nanodisk. Dosan har en diameter på bara 100 nanometer (0,00001 centimeter) och öppnar för ny grundforskning och mer kompakta lösningar inom nanofotoniken. Bild: Denis Baranov och Yen Strandqvist, Chalmers

– Vi har skapat en hybrid som består av lika delar ljus och materia. Konceptet öppnar helt nya dörrar inom både grundforskning och tillämpad nanofotonik och det finns ett mycket stort vetenskapligt intresse för detta, säger Ruggero Verre, forskare på institutionen för fysik på Chalmers och en av författarna av den vetenskapliga artikeln.

Kombinerade två olika koncept

Upptäckten är ett resultat av att Ruggero Verre och avdelningskollegorna Timur Shegai, Denis Baranov, Battulga Munkhbat och Mikael Käll har förenat två olika koncept på ett nyskapande sätt. Mikael Källs forskargrupp arbetar med så kallade nanoantenner som kan fånga in och förstärka ljus så effektivt som möjligt. Timur Shegais grupp forskar på en viss typ av atomtunna tvådimensionella material, så kallade TMDC-material, som påminner om grafen.

Det var genom att kombinera antennkonceptet med staplade tvådimensionella material som de nya möjligheterna skapades.

Ljusenergin vibrerar mellan två tillstånd

Forskarna använde sig av ett välkänt TMDC-material – wolframdisulfid – fast på ett helt nytt sätt. Genom att skapa en pytteliten resonanslåda – ungefär som klanglådan på en gitarr – fick de ljuset att uppföra sig på ett helt nytt sätt. Resonanslådan gör så att ljuset fångas in och studsar runt i en viss ”ton” inuti materialet, vilket gör att ljusenergin effektivt kan överföras till TMDC-materialets elektroner, och tillbaka igen. Man kan säga att ljusenergin vibrerar mellan de två olika tillstånden – ljusvågor och materia – samtidigt som den fångas in av och förstärks inne i dosan. Forskarna har lyckats förena ljus och materia extremt effektivt i en enda partikel med en diameter på bara 100 nanometer – alltså 0,00001 centimeter.

Denna allt i ett-lösning är ett oväntat framsteg inom grundforskningen, men kan förhoppningsvis även bidra till mer kompakta och prisvärda lösningar inom tillämpad fotonik.

– Vi har lyckats visa att staplade lager av ett atomtunt material är högintressant för fotoniktillämpningar, till exempel fotodetektorer som vi jobbar med just nu. Eftersom detta är ett helt nytt sätt att använda materialet kallar vi det för ”TMDC-nanofotonik”. Jag är säker att forskningsområdet har en ljus framtid, säger Timur Shegai, biträdande professor på institutionen för fysik på Chalmers och en av artikelförfattarna.

Vetenskaplig artikel:

Transition metal dichalcogenide nanodisks as high-index dielectric Mie nanoresonators, Nature Nanotechnology

Kontakt:

• Ruggero Verre, forskare, institutionen för fysik, Chalmers, ruggero.verre@chalmers.se
  Mikael Käll, professor och chef för avdelningen för bionanofotonik, institutionen för fysik, Chalmers, mikael.kall@chalmers.se
• Timur Shegai, biträdande professor, institutionen för fysik, Chalmers, timurs@chalmers.se