Uutiset

Fyysikot oppivat hallitsemaan nanolasereita etäältä magneettikentän avulla

Ilmiön salaisuus on poikkeuksellisessa materiaalissa ja sopivasti järjestetyissä nanopartikkeleissa. Tutkimus voi osoittaa tien kohti ennennäkemättömän vakaata signaalinkäsittelyä.
Nanolaser kytkettynä päälle (ylhäällä) ja pois päältä (alhaalla) ulkoisen magneettikentän avulla.
Nanolaser kytkettynä päälle (ylhäällä) ja pois päältä (alhaalla) ulkoisen magneettikentän avulla. Vasemmalla tarkennettuna yksittäinen nanopartikkeli ja magneettikenttä sen ympärillä. Kuva: Jenna Rantala

Laserien ultrakirkkaita säteitä hyödynnetään jo laajasti eri aloilla, kuten laajakaistaviestinnässä ja lääkediagnostiikan laitteissa. Noin kymmenen vuotta sitten kehitettiin plasmonisina nanolasereina tunnetut ultrapienet ja nopeat laserit, jotka ovat esimerkiksi parantaneet lääkediagnostiikassa käytettyjen bioantureiden herkkyyttä.

Tähän asti nanolasereiden kytkeminen on edellyttänyt niiden suoraa manipuloimista, joko mekaanisesti tai lämmön tai valon avulla. Nyt Aalto-yliopiston tutkijat ovat löytäneet keinon hallita nanolasereita etäältä, magneettien avulla.

”Osoitimme, että voimme hallita laserointisignaalia ulkoisen magneettikentän avulla. Muuttamalla magneettisten nanorakenteiden ympärillä olevaa magneettikenttää voimme kytkeä laseroinnin päälle ja pois päältä”, toteaa Aalto-yliopiston professori Sebastiaan van Dijken.

Yleensä plasmonisten nanolaserien materiaalina käytetään yleisiä jalometalleja, kuten kultaa tai hopeaa. Tutkimusryhmä käytti sen sijaan valmistukseen magneettisia koboltti-platinananopartikkeleita, jotka kuvioitiin piidioksidilla eristetyn kultakalvon päälle.

Mittaustulosten analyysi osoitti, että sekä materiaali että nanopisteiden jaksollinen ryhmittely olivat edellytyksiä päälle-pois-kytkentämekanismille.

Ennennäkemättömiä muutoksia

Uusi kytkentämekanismi voi osoittautua hyödylliseksi monissa optisia signaaleja hyödyntävissä  laitteissa. Tutkimuksen merkitys uudella, topologisen fotoniikan alalla voi kuitenkin olla vielä tärkeämpi. Topologinen fotoniikka pyrkii tuottamaan valosignaaleja, jotka eivät ole herkkiä ulkoisille häiriöille ja valmistusvirheille.

”Tarkoituksena on luoda tiettyjä optisia tiloja, joiden ominaisuudet mahdollistavat signaalien kuljettamisen ja suojaamisen häiriöiltä. Toisin sanoen jos laitteessa on pieniä virheitä tai materiaali hiukan epäpuhdasta, valo silti voi edetä häiriintymättä, sillä se on topologisesti suojattu”, van Dijken kertoo. 

Toistaiseksi optisten, topologisesti suojattujen signaalien luominen magneettisten materiaalien avulla on edellyttänyt vahvoja magneettikenttiä. Uusi tutkimus osoittaa, että magneettiset efektit voivat olla yllättävän suuria, kun käytetään tietynlaisen symmetrian mukaan järjestettyjä nanopartikkeita.

Tutkijat uskovat, että löydöt voivat johtaa uusiin topologisesti suojattuihin nanoskaalan signaaleihin.

”Tavallisesti magneettiset materiaalit aiheuttavat vain hyvin vähäisiä muutoksia valon käyttäytymiseen. Näissä kokeissa pystyimme tuottamaan hyvin merkittäviä muutoksia optiseen vasteeseen – jopa 20 prosenttia. Tämä on ennennäkemätöntä”, van Dijken toteaa.

”Tuloksilla on huomattava merkitys topologisten fotonisten rakenteiden tuottamisen kannalta, koska ne osoittavat magnetisaation vaikutuksen korostuvan, kun nanopartikkelit järjestetään sopivan geometrian mukaisesti”, sanoo akatemiaprofessori Päivi Törmä.

Tulokset syntyivät professori van Dijkenin johtaman Nanomagnetism and Spintronics -ryhmän sekä professori Törmän johtaman Quantum Dynamics ryhmän pitkäaikaisen yhteistyön ansiosta. Molemmat ryhmät työskentelevät Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksella. Tutkijat suorittivat kokeet kansallista OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria hyödyntäen.

Tutkimustulokset julkaistiin Nature Photonics -lehdessä.

Lue myös Nature Photonics -lehden News and Views -artikkeli aiheesta.

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:

Lue lisää uutisia

Lara Ejtehadian, Patrick Rinke, and Ilari Lähteenmäki sitting with coffee mugs and smiling to the camera.
Palkinnot ja tunnustukset, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Aalto-yliopiston avoimen tieteen palkinnon 2023 voittaja – Aalto Materials Digitalization Platform (AMAD)

Haastattelimme Aallon ensimmäisen avoimen tieteen palkinnon voittajia AMAD-tiimistä.
People at the campus
Yhteistyö, Tutkimus ja taide Julkaistu:

CESAER Task Force Openness of Science and Technology vierailee Aallossa

Aalto-yliopisto järjestää CESAER Task Force Openness of Science and Technologyn tapaamisen 16.–17.4.2024.
Kesäinen Otaniemen rantanäkymä, jossa Aalto-yliopiston logo ja tapahtuman nimi sekä VTT:n ja Avoimen tieteen logot.
Kampus, Yhteistyö, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Avoimen tieteen ja tutkimuksen kesäpäivät 2024 järjestetään Aalto-yliopistossa

Aalto-yliopisto järjestää Avoimen tieteen ja tutkimuksen kesäpäivät 2024 yhdessä Avoimen tieteen ja tutkimuksen kansallisen koordinaation ja Teknologian tutkimuskeskus VTT:n kanssa.
Jukka Pekola, kuva: Riitta Supperi, Suomen Kulttuurirahasto
Palkinnot ja tunnustukset Julkaistu:

Jukka Pekolalle Suomen Kulttuurirahaston palkinto – ”kvantti kiinnostaa tiede- tai scifi-maailmaa laajemmin”

Professori Jukka Pekola saa Suomen Kulttuurirahaston palkinnon kvanttiteknologiatutkimuksen pitkäaikaisesta edistämisestä ja osallistumisesta ihmiskunnan haasteiden ratkaisemiseen.