Energinen jättiharppaus hiukkaselle

Eindhoven University of Technologyn (TU/e) tutkijat ovat siirtäneet perustavanlaatuista rajaa sille, kuinka pitkälle energiaa voidaan siirtää hiukkasten välillä ilman säteilyn vuotoa.

He ovat osoittaneet, että energiansiirtoa ilman valon tai lämmön kautta tapahtuvaa häviötä voi tapahtua paljon pidemmillä etäisyyksillä kuin aiemmin on ajateltu mahdolliseksi.

Normaalisti energiaa absorboiva molekyyli menettää sen takaisin lämpönä ympäristöön siirtyvien värähtelyjen kautta tai fotonina.

Förster-resonanssienergiansiirrossa (FRET) tapahtuu jotain erilaista: energia hyppää suoraan, ilman säteilyä ja energian menetystä, molekyylistä tiettyyn naapurimolekyyliin niiden sähkökenttien välisen näkymättömän vuorovaikutuksen kautta. Tunnetuin esimerkki on kasvien fotosynteesi, jossa FRET:n avulla kasvit voivat siirtää kaapattua auringonvaloa salamannopeasti ja ilman energiahäviötä soluihin, joissa se muunnetaan ravinnoksi.

Mutta FRET:llä on yksi merkittävä rajoitus. Se toimii vain erittäin lyhyillä, noin muutaman nanometrin etäisyyksillä. Tutkimuksessaan professori Jaime Gómez Rivas , post doc -tutkija Jie Ji ja jatko-opiskelija Wouter Holman onnistuivat laajentamaan tätä tehokasta aluetta jopa muutamaan millimetriin.

Tutkimusryhmän lähestymistapa perustuu fysiikan ilmiöön, joka tunnetaan nimellä sidottu tila jatkumossa (BIC). Nämä ovat sähkömagneettisia aaltoja, jotka tarkan kumoamisvaikutuksen vuoksi pysyvät kokonaan loukussa pinnalla eivätkä säteile energiaa ulospäin. Ne ovat läsnä, mutta näkymättömiä ulkomaailmalle ja pysyvät ehjinä poikkeuksellisen pitkään.

Tämän hyödyntämiseksi tutkijat rakensivat lasille mikroskooppisen pienistä kultasauvoista koostuvan tasaisen pinnan, jotka on järjestetty erittäin tarkkaan kuvioon. Kun yksi heidän erityisesti suunnitelluista mittausantureistaan kosketti pintaa oikealla taajuudella, se loi BIC-tilan, joka kuljetti energiaa ilman säteilyä kahden millimetrin päässä olevaan havaitsemisanturiin.

Tämä kuljetus tapahtuu kultasauvojen resonanssivärähtelyjen kautta. Normaalisti tällaiset resonanssit lähettävät fotoneja ympäröivään ympäristöön, mikä tekee energiansiirrosta tehotonta. BIC-tilan käyttö pitää energian kuitenkin kokonaan pinnan sisällä, mikä tekee energiansiirrosta erittäin tehokasta. Tämä aivan kuten FRET:ssä, mutta matkan päässä, jota on pitkään pidetty mahdottomana.

Toinen silmiinpistävä piirre on, että siirto on vahvasti suunnasta riippuvainen ja tarkasti kultasauvojen suunnan määräämä: yhteen suuntaan energia kulkee vaivattomasti kokonaiset kaksi millimetriä, kun taas kohtisuorassa suunnassa se häviää vain lyhyen matkan jälkeen. Tätä sisäänrakennettua yhden suunnan mieltymystä voitaisiin hyödyntää tulevaisuuden laitteissa energian virtauksen ohjaamiseen, aivan kuten sähköpiiri ohjaa sähkövirtaa yhteen suuntaan.

Tuloksen tekee erityisen mielenkiintoiseksi paitsi etäisyys, myös se, että siirto tapahtuu tasaisella pinnalla huoneenlämmössä, ja kaikki tämä ilman optisia aaltojohteita, optisia kuituja tai kryogeenistä jäähdytystä.

Aiheesta aiemmin:

Unelmateknologia valon muuttamiseen sähköksi

Ledeistä enemmän irti sopivasti virittämällä

Fotonien napakymppi ja tehokas ylösmuunnos