Tutkijat valjastivat nanopartikkelit äärimmäisen pieneksi laseriksi
Aalto-yliopiston tutkijoiden kehittämä uudentyyppinen laser on erittäin pieni, noin tuhannesosa ihmisen hiuksen paksuudesta. Valon elinaika näin pienissä rakenteissa on äärimmäisen lyhyt, vain kymmeniä tai satoja kertoja suurempi kuin valon omaan värähtelyyn tarvittava aika. Tutkimustulos avaa mahdollisuuden kehittää uusia integroituja koherentteja valonlähteitä kuten lasereita, jotka ovat erittäin nopeita ja pieniä.
Laserin toiminta perustuu hopeasta tehtyihin nanopartikkelihiloihin. Toisin kuin perinteisissä lasereissa, joissa takaisinkytkentä tapahtuu normaalien peilien avulla, uusi nanolaser hyödyntää sadan nanometrin kokoisten nanopartikkelien säteilemää valoa. Kukin nanopartikkeli toimii kuin pieni antenni, joka säteilee valoa toisiin partikkeleihin. Maksimoidakseen laserin intensiteetin tutkijat asettivat partikkelit laservalon aallonpituuden etäisyydelle toisistaan. Tällöin kaikki partikkelit säteilevät samassa vaiheessa ja siten voimistavat laservaloa. Laserin vahvistavana elementtinä käytettiin orgaanisia fluoresoivia molekyylejä.
Valoa pimeästä
Eräs keskeisimmistä haasteista nanolaserin kehittämisessä oli valon lyhyt elinaika tällaisissa nanorakenteissa. Tutkijat kiersivät ongelman hyödyntämällä niin kutsuttuja pimeitä moodeja.
“Pimeät moodit voidaan intuitiivisesti ymmärtää perinteisten antennien avulla: yksittäinen antenni säteilee voimakkaasti, mutta kaksi antennia, jotka ovat hyvin lähellä toisiaan ja joihin syötetään vastakkaisvaiheista virtaa, säteilevät hyvin vähän”, selittää akatemiaprofessori Päivi Törmä.
”Pimeä moodi aiheuttaa vastakkaisvaiheisia virtoja jokaiseen nanopartikkeliin, mutta paljon suuremmilla taajuuksilla, jotka vastaavat näkyvää valoa”, hän jatkaa.
“Pimeät moodit ovat kiinnostavia niiden sovellusten kannalta, joissa pieni tehonkulutus on tärkeää. Sellaisenaan pimeän moodin laserointi on hyödytöntä, sillä pimeän moodin laservalo on sidottu nanopartikkelihilan pintaan eikä pääse pakenemaan”, lisää Staff Scientist Tommi Hakala.
”Hyödyntämällä nanopartikkelihilan äärellistä kokoa löysimme tavan ohjata valo ulos. Hilan reunoja kohti mentäessä partikkelit alkavat käyttäytyä yhä enemmän kuin tavalliset antennit, jotka säteilevät laservaloa ulkomaailmaan”, kertoo jatko-opiskelija Heikki Rekola.
Tutkimusryhmä käytti laserin valmistamiseen kansallisen OtaNano tutkimusinfrastruktuurin puhdastiloja ja nanovalmistuslaitteita.
Tulokset julkaistiin .
Yhteydenotot:
Akatemiaprofessori Päivi Törmä
paivi.torma@aalto.fi
p. 050 382 6770
Quantum Dynamics-tutkimusryhmä:
Laskennallisen nanotieteen huippututkimusyksikkö, COMP:
OtaNano:
Video:
Tutkimusartikkeli: T.K. Hakala, H.T. Rekola, A.I. Väkeväinen, J.-P. Martikainen, M. Nečada, A.J. Moilanen, P. Törmä. Lasing in dark and bright modes of a finite-sized plasmonic lattice. DOI:10.1038/NCOMMS13687.
Lue lisää uutisia
The company established by three anthropologists relied on strong research expertise
Etnografinen tutkimustoimisto Kenno Oy was established in 2014 when its three founders were finalising their master's degree studies at the University of Helsinki and wanted to create an interesting job for themselves.
Prototyping and Validation Grant: VeinOptima
Aallon opiskelijan kehitteillä oleva tuote auttaa hoitajia löytämään verisuonet nopeammin.
Kolmen tutkijan ideasta syntyi deep tech -yritys
Vahvaan tutkimusosaamiseen nojaava Sim Analytics Oy sai alkunsa, kun kolme LUT-yliopiston eri laboratorioissa työskennellyttä tutkijakollegaa alkoi miettiä, miten tarjota ja analysoida dataa teollisuusyritysten liiketoimintapäätösten tueksi.