Fyzikální paradox: otvory, které stíní světlo  
Ve světě nanorozměrů se dějí neobvyklé věci – můžete v něm vytvořit síto, které stíní víc, než celistvá folie bez perforace.

 

Zvětšit obrázek
Snímek z elektronového mikroskopu povrchu stříbrné folie z experimentu z roku 1998. Stříbrná folie byla 200 nanometrů tenká a 150 nanometrů velké otvory tvořily síť s frekvencí 900 nm.

V únoru roku 1998 vyšel v časopisu Nature zajímavý článek. Pětice fyziků z USA, Německa a Francie zjistila, že přes 0,2 mikrometru tenkou stříbrnou folii, do které pomocí paprsku galiových iontů navrtali pravidelnou síť drobných dírek, prochází nad očekávání mnoho světla. Možná si řeknete, že co je na tom divného, vždyť světlo běžně přes otvory prochází. Ne ale v nanorozměrovém světě. Otvor menší, než je vlnová délka dopadajícího světla se pro něj stává nepřekonatelnou překážkou. Pokud však fyzikální vlastnosti materiálu neumožní vznik takzvaných povrchových plazmonů, které světelné fotony přes otvory doslova přepraví. V experimentu zpřed 12 lety se perforací v kovové folii protáhly hlavně vlny, kterých vlnová délka byla desetinásobkem průměru dírek.


Plazmony – kvanta hustotních oscilací vodivostních elektronů ve vnitřní struktuře materiálu

Zvětšit obrázek
U okrajů otvorů perforace se na obou stranách kovové folie seskupí plazmony a při svém zániku energii emitují v podobě záření.
Kredit: American Institute of Physics

 

Fotony jsou vlastně kvanta energie a když narazí na povrch vodivé kovové folie, můžou být absorbovány volnými (vodivostními) elektrony, které se rozkmitají. Vzniká oscilace jejich hustoty a toto podélné vlnění se šíří v povrchové vrstvě materiálu. Kvanta těchto společných vibrací elektronů se nazývají povrchové plazmony. Okraje otvorů v tenké kovové folii pro ně představují překážky, u nichž se plazmony hromadí a postupně zanikají, přičemž vyzáří ze světla absorbovanou energii opět v podobě fotonů. Na opačné, neosvětlené straně folie však díky jakémusi párování povrchových plazmonů vzniká podobná situace a i tu jsou hrany nano-dírek zdrojem sekundárného světelného záření. Tak můžou plazmony jistou část dopadajícího elektromagnetického vlnění protlačit i přes jinak pro něj nepropustně malé otvory. 


Nanosvět je ale hodně svérázný. Někdy síť nano-otvorů pomůže světlo přes folii doslova prostrčit a jindy zas jeho přenos pomocí plazmonů zablokuje. Přišli na to fyzici z University v Stuttgartu, kteří původní experiment z roku 1998 pozměnili. Své zajímavé výsledky zveřejnili v odborném časopisu Physical Review Letter.

Zvětšit obrázek
Snímek z elektronového rastrovacího mikroskopu zlaté folie z letošního experimentu. Tloušťka folie 20 nanometrů, otvory s průměrem 200 nm jsou v pravidelné síti v rozestupu 300 nm. I když větší část plochy je „děravá“, folií prochází méně světla, než kdyby byla celistvá.
Kredit: American Physical Society


Mezi dvě skleněné deštičky nanesli rovnoměrnou vrstvičku zlata, která propouštěla 40 procent dopadajícího světla. Tento film byl jenom 20 nanometrů tenký, tedy desetkrát méně, než stříbrná folie v původním experimentu z roku 1998. Pak do průsvitného zlatého filmu úzkým paprskem argonových iontů „vyvrtali“ otvory s průměrem 200 nm ve vzdálenosti 300 nm. I když tím odstranili podstatnou část zlata, vrstva se nestala průsvitnější.

Opak je pravdou – procházelo jí výrazně méně světla, než když byla celistvá, bez perforace. U některých vlnových délek vědci zaznamenali odstínění až o 80 procent. Aby lépe pochopili fyzikální podstatu pozorovaného jevu, experiment mnohokrát opakovali a perforaci osvětlovali pod různými úhly.


Proč otvory, které světlo propouštěly, je najednou stíní? Toť otázka! Je samozřejmé, že 40 procent záření, které ultratenkou průsvitnou folií prochází, ke vzniku povrchových plazmonů nepřispívá. Podle autorů v zlatém filmu vzniká jen jistý druh utlumených plazmonů s malým dosahem, které přes perforaci nedokážou světlo „přenést“. Jejich energie však odpovídá právě energii fotonů nejvíce odstíněné složky dopadajícího světla. Takové plazmony pak pro fotony, které je vybudily, působí jako cestní zátaras, ne jako převozník přes úžiny perforace. Holandský fyzik Martin P. van Exter z University v Leidenu je přesvědčený, že pozorovaný jev mají na svědomí i netypické fyzikální vlastnosti zlata, které absorbuje světlo jinak než ostatní kovy. Jestli má pravdu, prokáže pokračující výzkum na různě silných foliích z různých kovů, s různě velkými, pravidelnými i nepravidelnými sítěmi různě tvarovaných otvorů. Vědci doufají, že komplexní výsledky povedou k vývoji nových typů polarizačních filtrů a jiných fotonických součástek. 

 

Zdroj: Optics.orgAmerican Institute of Physics

Datum: 29.11.2009 22:09
Tisk článku

Kameny a hvězdy - Cílek Václav
 
 
cena původní: 199 Kč
cena: 199 Kč
Kameny a hvězdy
Cílek Václav

Diskuze:

Žádný příspěvek nebyl zadán



Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace