Fyysikot oppivat hallitsemaan nanolasereita etäältä magneettikentän avulla

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.