De skapar styrbara plasmoner i plast

Plasmoner uppkommer när ljus interagerar med metalliska nanopartiklar. Det infallande ljuset startar en kollektiv oscillation, gemensam rörelse fram och tillbaka, av elektronerna i partiklarna. Det är den kollektiva oscillationen som är själva plasmonen. Nanostrukturer i metall och deras förmåga att forma ljus på nanoskalan studeras av ett stort antal forskargrupper i världen för användning i exempelvis biosensorer, optiska pincetter, för energiöverföring liksom för att förstärka andra optiska fenomen. I framtiden hägrar användningsområden alltifrån miniatyriserad medicinsk apparatur till fönster som styr inflödet av ljus och värme in och ut ur byggnader.

Optiska nanoantenner

I en artikel i Nature Nanotechnology presenterar nu forskare vid Linköpings universitet optiska nanoantenner, gjorda av en ledande polymer, i detta fall en variant av den populära polymeren PEDOT. Plasmoner förknippas annars främst med metaller, som guld och silver.

 Miljarder nanodiskar deponeras på en kvadratcentimeter stor yta. Var och en av dem reagerar på det infallande ljuset och skapar plasmoner. Foto Illustration: Conceptualized– Vi visar att ljus kan omvandlas till plasmoner i nanostrukturer av det organiska materialet, säger Magnus Jonsson, som leder gruppen inom organisk fotonik och nanooptik vid Laboratoriet för organisk elektronik.

Nu är det inte elektroner som skapar plasmonen i den ledande polymeren, utan polaroner. En polymer består av en lång kedja av hopkopplade atomer. I den ledande polymer forskarna arbetar med här är det positiva laddningar utmed polymerkedjan som står för ledningsförmågan. Det är dessa positiva laddningar som blir till polaroner och som startar en kollektiv oscillation när nanostrukturen träffas av ljus.
– I våra experiment reagerar de på ljus som har något längre våglängd än det synliga ljuset, vilket gör dem extra intressanta för exempelvis smarta fönster, säger Magnus Jonsson.

Miljarder diskar

Här har forskarna först teoretiskt beräknat och simulerat sig fram till det experiment som de sedan utfört med lyckat resultat. Shangzhi Chen, doktorand vid Laboratoriet för organisk elektronik, har lyckats framställa miljarder nanosmå diskar, plattor, av det organiskt ledande materialet på en yta. Det är dessa små diskar som reagerar på ljus och fungerar som små antenner.

Forskarna har också visat att såväl diametern som tjockleken på diskarna påverkar vilken frekvens av ljus de reagerar på. De kan alltså styra våglängden genom att ändra geometrin på disken. Ju tjockare disk, desto högre frekvens. De hoppas också att de genom att förändra polymeren ska kunna öka det spektrum av ljus som nanoantennerna reagerar på.

Plasmoner i plast. Foto THOR BALKHEDNästa nyhet är att nanoantennerna i det organiska materialet, till skillnad från sina metall-kusiner, går att stänga av och sätta på. När materialet tillverkas i laboratoriet är det i ett oxiderat tillstånd, och nanoantennerna är påslagna.
– Vi har visat att när vi reducerar materialet genom att tillföra en gas så stänger vi av ledningsförmågan och därmed även antennerna. Oxiderar vi det igen exempelvis med svavelsyra så blir det åter ledande och antennen slås på igen. Det här är en relativt långsam process ännu så länge, men vi har tagit de första stegen och visat att det går, säger Magnus Jonsson.

– Det här är grundforskning, men våra resultat öppnar för en helt ny typ av styrbar nanooptik som vi tror kan vara användbar för många applikationer i framtiden.

Studien har bedrivits i samarbete mellan forskare vid bland annat Laboratoriet för organisk elektronik och Terahertz Materials Analysis Center, båda vid Linköpings universitet. Finansiellt stöd kommer bland annat från Vetenskapsrådet och den strategiska satsningen på avancerade funktionella material, AFM, vid Linköpings universitet.

Conductive polymer nanoantennas for dynamic organic plasmonics, Shangzhi Chen, Evan S. H. Kang, Mina S. Chaharsoughi, Vallery Stanishev, Philipp Kühne, Hengda Sun, Vanya Darakchieva and Magnus P. Jonsson, Nature Nanotechnology 2019, doi 10.1038/s41565-019-0583-y

Att stänga av och sätta på antennerna är fortfarande en långsam process. Foto THOR BALKHED

Plasmoner i medeltida glas

Miljarder nanodiskar deponeras på en kvadratcentimeter stor yta. Var och en av dem reagerar på det infallande ljuset och skapar plasmoner.
Det är plasmoner som skapar det vackra skimmer som finns i det konstglas som bland annat användes i medeltidens kyrkfönster och moskéer. Glasen färgades genom att man bäddade in metallpartiklar. Fast att fenomenet berodde på plasmoner visste man inte då.
Ett riktigt tidigt exempel på plasmonik i glas är Lycurgus-koppen som finns att beskåda på British Museum i London.