Hans nanoantenner kan ge smarta fönster

Magnus Jonsson kombinerar två helt skilda forskningsfronter: nanooptik och organisk elektronik. Som Wallenberg Academy Fellow får han resurser och tid att mejsla ut ett nytt forskningsfält.

Magnus Jonsson

Docent i organisk elektronik

Wallenberg Academy Fellow 2019

Lärosäte:
Linköpings universitet

Forskningsområde:
Bryter ny mark genom att kombinera nanooptik med organisk elektronik

Optiska antenner är nanoskopiska strukturer som gör det möjligt att kontrollera ljus på nanoskalan. Det gör dem användbara inom många områden: från sensorer och energiapplikationer till extremt tunna linser och nya material med exotiska optiska egenskaper.

Magnus Jonsson vill ta konceptet med nanoantenner ett steg ytterligare genom att tillverka dem av elektriskt ledande polymerer.

– Vi är först i världen med den här typen av dynamisk nanooptik baserad på ledande polymerer och målet är att lägga grunden till nya system som vi kan styra även efter att de tillverkats, säger Magnus Jonsson.

Lockades av ett nytt fält

När Magnus Jonsson lämnade sin postdoktortjänst vid Delfts tekniska universitet för att etablera sin egen forskargrupp så var det Linköpings universitet och dess världsledande forskning inom organisk elektronik som lockade mest.

– Organisk elektronik var ett nytt fält för mig och därför väldigt spännande. Samtidigt var mitt område nanooptik ett nytt område för forskarna här. Så jag kände att jag kunde bidra till något verkligen nytt genom att kombinera våra olika områden, säger Magnus Jonsson.

Optiska nanoantenner har främst tillverkats av olika metaller, i de flesta fall guld och silver. Men det ger enheter med en statisk funktion. Egenskaperna hos de ledande polymererna kan däremot styras på olika sätt, vilket ger nya möjligheter. Magnus Jonssons forskargrupp arbetar efter hypotesen att styrningen ska kunna leda till en rad tillämpningar. Som exempel kan nämnas smarta fönsterrutor som beroende på väderlek och klimat anpassar sitt genomsläpp av energi. Eller komponenter till framtida nanooptiska datorer som gör beräkningar med hjälp av ljus. Där krävs det nya sätt att styra ljuset så att datorn inte bara upprepar samma beräkning om och om igen. 

Men vägen till flera av dessa applikationer är lång, betonar han, och rymmer grundläggande frågeställningar kring hur ljus interagerar med nanostrukturer av de här organiska materialen.

– Små förändringar i processer kan påverka egenskaperna hos polymererna, som på så sätt lever lite sina egna liv jämfört med klassiska metaller. Det skapar många möjligheter och gör det samtidigt svårt att förutspå hur resultaten kommer att se ut på förhand.

Redan nått en milstolpe

När optiska nanoantenner tillverkas av vanliga metaller är det fria elektroner i strukturen som gör det möjligt att kontrollera ljuset. Ljus som belyser en nanopartikel får elektronerna i metallen att röra sig gemensamt i något som liknar ett litet moln. Den kollektiva rörelsen, som kallas plasmon, skapar bland annat ett starkt optiskt fält kring partikeln som kan utnyttjas i olika applikationer. När det gäller polymererna blir det extra intressant eftersom deras ledningsförmåga ser annorlunda ut och kan baseras på positiva laddningar. 

– Vi vet fortfarande inte i detalj hur polymerernas speciella sätt att leda elektricitet kommer att påverka antennernas egenskaper, såsom förmågan att fånga in ljus och skapa nanoskopiska optiska fält. Det som driver mig är att det fortfarande finns så mycket som vi inte förstår, säger Magnus Jonsson.

Magnus Jonssons forskargrupp publicerade nyligen en första artikel om organiska nanoantenner, där de kunde visa hur deras teorier och optiska simuleringar överensstämde med utförda experiment.

– Det var en verklig milstolpe när vi lyckades bygga de första nanostrukturerna och visa att de faktiskt fungerar som antenner för ljus. Vi kunde även stänga av och på antennerna på kemisk väg. Nu behöver vi visa att vi även kan styra dem med elektricitet, vilket är viktigt för många tänkta tillämpningar.

Inom det femåriga anslaget Wallenberg Academy Fellow hoppas han etablera dynamisk organisk nanooptik som forskningsområde och medverka till flera genombrott.

”Vårt arbete stannar inte vid att enbart förbättra en befintlig teknik utan vi vill verkligen bryta ny mark. Då krävs den typ av långsiktig nyfikenhetsdriven forskning som stödet från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse möjliggör.”

Även om målet är att tillverka nya typer av nanostrukturer med exotiska egenskaper i labbet så finns mycket inspiration att hämta från naturen. Där har olika nanostrukturer sedan länge gett evolutionära fördelar. Under sin bröllopsresa till Tanzania Magnus Jonsson särskilt fascinerad av några fåglars skimrande fjäderdräkter.

– Forskaren i mig blev sugen på att studera fjädrarna för att lära oss mer om deras fantastiska färger, som förmodligen inte bara är baserade på pigment utan även olika nanostrukturer.

Vill sprida forskningen till fler

Som Wallenberg Academy Fellow ser han även fram emot det mentorsprogram som ingår i programmet. Tidigare var han ordförande för Sveriges unga akademi, vilket gav möjligheten att påverka forskningspolitiskt såväl som att bidra till tvärvetenskapliga diskussioner och utåtriktad verksamhet. Att sprida vikten av forskning till allmänheten är viktigt, menar han. Som student och doktorand vid Lunds universitet turnerade han med en fysik- och lasershow för barn och ungdomar.

– Det var jätteroligt eftersom det handlade om att skapa förståelse på en helt annan nivå. Att beskriva de rätt komplexa saker som vi arbetar med på en mer grundläggande nivå ger även mig en bättre förståelse, säger Magnus Jonsson.

Text Magnus Trogen Pahlén
Bild Thor Balkhed