Attraktion får guldspeglar att bygga ihop sig själva

För att kunna studera material ned på nanonivå behövs olika sorters plattformar, så kallade resonatorer. De kan beskrivas som minimala resonanslådor där det är ljus som studsar mellan väggarna i stället för ljud.

På institutionen för fysik vid Chalmers har forskare nu upptäckt hur en redan känd resonator, där ljuset studsar mellan minimala guldspeglar, kan skapas och kontrolleras på ett enklare sätt än vad som tidigare varit känt. Forskarnas resultat har presenterats i tidskriften Nature.

Sker av sig själv

“Att skapa en så perfekt och stabil plattform som vi nu har kunnat observera är vanligtvis mycket komplicerat och kräver många timmar i laboratorium. Men här ser vi det ske av sig själv enbart genom naturens grundlagar och utan att vi tillför yttre energi. Vår plattform skulle du praktiskt taget kunna göra i ditt eget kök eftersom den skapas i rumstemperatur, med hjälp av vanligt vatten och lite salt”, säger forskningsledaren Timur Shegai, docent vid institutionen för fysik i ett pressmeddelande.

Han överraskades själv av upptäckten i labbet. Det han och hans kollegor upptäckte var att när två minimala guldspeglar med en diameter på 500 nanometer, alltså 0,0005 millimeter, möts i en saltvattenlösning uppstår en attraktion dem emellan som gör att de bildar ett par. Då saltvattenlösningen täcker guldspeglarna med dubbla lager joner är de postitvt laddade.

Casimireffekten håller kvar speglarna

De båda guldspeglarna borde egentligen stöta bort varandra med på grund av att de samtidigt påverkas av casimireffekten balanseras de och lägger sig mitt emot varandra utan att glida isär och mellan dem uppstår ett hålrum. Detta optiska mikrohålrum är en elektromagnetisk resonator som ger många möjligheter att utforska olika fysiska fenomen.

Casimireffekten är en liten effekt som endast existerar på extremt små avstånd. När två oladdade metallplattor är nära varandra med ett vakuum emellan resulterar det i en vakuumenergi från det tomma utrymmet som utövar en kraft på fysiska föremål.

Attraherande guldspeglar. (Illustration: Chalmers tekniska högskola/Denis Baranov och Yen Strandqvist)

När de två guldspeglarna har hittat varandra stannar de i den attraheranede positionen och forskarna upptäckte även att allt fler guldspeglar söker sig till varandra och formar grupper så länge de inte separeras. Systemet växer alltså helt och hållet med hjälp av naturens krafter och skapar därmed fler möjligheter för forskarna.

“Det som är speciellt med denna plattform är att det uppstår olika färger i hålrummet mellan guldspeglarna. Här kombineras intressant och till och med vacker fysik. Genom att manipulera plattformen kan man ändra färgerna. Dessutom är plattformen enkel att kontrollera och styra”, säger Timur Shegai i pressmeddelandet.

Kan skalas upp

Genom att tillföra mer salt i saltvattenlösningen, ändra temperaturen på den eller genom att belysa plattformen med laserdjus kan den kontrolleras och styras. Det finns enligt forskarna inga hinder för att plattformen på sikt ska kunna skalas upp med större guldspeglar som man kan se utan mikroskop och det skulle kunna skapa fler möjligheter.

“Om jag ska sia om framtida tillämpningar av plattformen, skulle den kunna användas för att studera polaritoner på ett enklare sätt än man kan idag. Ett annat område skulle kunna vara att dra nytta av de färger som skapas mellan guldspeglarna, till exempel i pixlar för att kontrollera den relativa färgintensiteten för rött, grönt och blått. Plattformen skulle också kunna användas i bioapplikationer, sensorer eller i styrningen av nanorobotar, säger Timur Shegai i pressmeddelandet.

Läs mer: Chalmersforskare: Ingen övre gräns för människors livslängd