Optiska antenner som synliggör nanovärlden

Projektanslag 2012

"Plasmonic antennas shine light on the nanoworld"

Huvudsökande:
Mikael Käll, professor i fysik, särskilt bionanofotonik

Medsökande:
Andreas Dahlin
Alexander Dmitriev
Christoph Langhammer
Eva Olsson
Fredrik Höök
Kasper Moth-Poulsen
Peter Johansson

Lärosäte:
Chalmers tekniska högskola

Beviljat anslag:
37, 1 miljoner kronor under fem år

Nanoantenner kan bland annat användas till optisk analys av enstaka biomolekyler, fotokatalys, solcellsforskning, och kvantoptiska effekter för framtidens kommunikationsteknologi.

– I praktiken handlar det oftast om guld- eller silvernanostrukturer som kan förstärka synligt ljus på samma längdskala som strukturerna själva och på så vis hjälpa oss att se världen i nanoskala, förklarar Mikael Käll.

Även om det rör sig om kvalificerad grundforskning så finns det stora tillämpnings-möjligheter, inte minst genom att ge bättre optiska analysmetoder och verktyg för fortsatt grundforskning inom nanovärlden. En värld av så små partiklar att det krävs extremt kraftfulla mikroskop för att se dem men som har desto större betydelse för den värld vi lever i och kan uppfatta.

På nanonivå får materien dessutom delvis andra egenskaper. Ökad förståelse för nanostrukturerade material och de lagar som styr kan därför bana väg för nya innovationer och tekniksprång.

Guld- och silverpartiklar förstärker ljuset

Många känner säkert till ungefär hur en tv-antenn fungerar – en räcka metallspröt med precisa längder och inbördes avstånd som, om antennen är riktad åt rätt håll, tillsammans lyckas pressa in tv-vågorna i en liten mottagare som kopplar till antennkabeln.

Vad som däremot nog inte är lika känt är att nästan exakt samma koncept kan användas för att fokusera, förstärka och rikta ljusvågor. Den stora skillnaden är förstås att ljusvågorna har så mycket mindre våglängd än tv-vågorna – några hundra nanometer (en nanometer är en miljarddels meter) jämfört med ungefär en meter – vilket innebär att antenner för ljus med nödvändighet är nanostrukturer.

– Antennerna är mikroskopiskt små även om de inte är riktigt lika små som molekyler – men nästan – det ryms omkring 1 000 miljarder optiska antenner i ett knappnålshuvud, berättar Mikael Käll.

Optiska antenner tillverkas med metoder lånade från datorindustrin, till exempel med hjälp av elektronstrålelitografi, eller genom kemisk syntes av metalliska nanopartiklar.

I de flesta fallen handlar det om guld eller silvernanostrukturer, som har i det närmaste perfekta egenskaper på grund av ledningselektronernas förmåga att svänga i takt med ljusfrekvensen, ett fenomen som kallas för ytplasmonresonans.

– Nanoantenner av guld eller silver kan fokusera och förstärka intensiteten hos en ljusvåg flera tusen gånger, inom en volym som inte är större än en molekyl, förklarar Mikael Käll.

Se hur virus tar sig in i celler

Projektet består egentligen av flera delprojekt där man kommer att använda sig av olika former av antenner.

– Ett delprojekt har betydelse för medicinområdet, livsvetenskapen. Det går ut på att göra olika antennstrukturer för att kunna upptäcka, detektera, enstaka molekyler och viruspartiklar. Vi hoppas att det kommer att få betydelse för att förstå olika biofysikaliska processer, berättar Mikael Käll.

Tanken är att man ska kunna mäta hur enstaka biomolekyler eller virus binder eller lossnar från olika typer av receptorer i realtid.

– I dag kan man oftast bara studera sådana processer på en generell nivå, man kan likna det vid att se medellängden i en population istället för att se längden för varje enskild individ. Projektet handlar mycket om prof of principle – att visa på metoder och idéer som fungerar.

Ett annat delprojekt bygger på att själva kopplingen mellan molekyl och antenn är så stark att nya kvantoptiska fenomen uppstår.

– Det handlar om kvantfysikaliska processer som är intressanta för grundforskningen men också för framtidens it- och kommunikationssystem.

Spjälka vatten till vätgas

Ytterligare en del i projektet siktar på att förstå om det är realistiskt att använda optiska antenner till att förstärka och förenkla utnyttjandet av solenergi i till exempel solceller eller genom fotokatalytiska metoder för att spjälka vatten till vätgas, något som skulle vara till stor nytta för världens behov av miljövänlig energi.

– Vägen dit är lång men det är en intressant möjlighet. Tanken är att förstärka ljusintensiteten och de fotokemiska processerna på nanometerskala med hjälp av antennresonanser.

Mikael Käll berättar att det även finns en metodutvecklande del i projektet.

– Det handlar bland annat om teoriutveckling och numerisk simulering för att kvantifiera antennstrukturernas optiska egenskaper och deras koppling till molekyler.

Anslaget från Knut och Alice Wallebergs Stiftelse är viktigt.

– Hela projektet är ett högriskprojekt, vi tror kanske inte att vi ska lyckas i alla delar, men de resultat vi kommer fram till kan också ge hög utdelning, säger Mikael Käll.

Text Carina Dahlberg
Bild Magnus Bergström