Vísindamenn við Raunvísindastofnun Háskólans ryðja nýjar brautir í örljóstækni

Vísindamenn á eðlisfræðistofu Raunvísindastofnunar Háskólans hafa sýnt fram á ljósmögnun í nýstárlegri tegund bylgjuleiðara þar sem ljósið er bundið í svokölluðum rafgasskautunareindum. Rafgasskautunareindir eru samþætt ástand ljóss og rafeinda á málmyfirborði og hafa því bæði eiginleika ljóseinda og efniseinda. Niðurstöður rannsóknahópsins, sem Kristján Leósson stýrði, birtust í tímaritinu Nature Photonics í þessari viku.

Rannsóknir á rafgasskautunareindum hafa aukist hröðum skrefum á síðustu árum. Þessi aukni áhugi er bæði af fræðilegum toga en ekki síður vegna ýmissa möguleika til hagnýtingar. Ljós ferðast auðveldlega í gegnsæjum efnum, t.d. lofti, gleri eða glæru plasti, en í slíkum efnum eru takmörk fyrir því hversu mikið er hægt að þjappa saman eða fókusera ljósið. Ljósrásir sem leiða ljós á svipaðan hátt og rafrásir leiða rafstraum eru vel þekkt fyrirbæri en af ofangreindri ástæðu er ekki hægt að smækka þær jafn mikið og t.d. örrásir sem notaðar eru í tölvum.

Við málmyfirborð má þjappa ljósinu mun meira saman og á þann hátt gera ljósrásir umtalsvert smærri, jafnvel þannig að þeim mætti koma fyrir inni í örgjörvum til að auka gagnaflutningshraða o.fl. Ljóseiginleika málmyfirborða og örsmárra málmagna má einnig nýta til að framleiða betri sólarsellur og auka nýtni ljósgjafa og ljósnema. Ljós er einnig notað í ýmis konar efnagreiningar, þar sem m.a. er hægt að nota málmyfirborð til að auka greinigetu um margar stærðargráður. Tilraunir hafa jafnvel verið gerðar með notkun örsmárra málmagna til að eyða krabbameinsæxlum með innrauðu ljósi sem er skaðlaust fyrir heilbrigða vefi líkamans. Fræðilega séð, þá geta efni sem innihalda örsmáa málmstrúktúra haft þann undarlega eiginleika að brotstuðull þeirra verður neikvæður. Hólkur úr slíku efni getur virkað sem huliðshjálmur, þ.a. hólkurinn sjálfur sést ekki og allt sem sett er inn í hann hverfur! Í mörgum tilfellum hefur orkutap vegna ljósísogs í málmum þó staðið í vegi fyrir hagnýtingu þessarar nýju tækni. Ljósísogið stafar af rafviðnámi málmsins sem ómögulegt er að komast hjá, jafnvel í mjög vel leiðandi málmum eins og silfri og gulli. Undanfarin ár hafa rannsóknahópar um allan heim reynt að vega upp á móti ljóstapi með ljósmögnun, svipað og gert er í hefðbundnum leysum. Ekki hefur þó tekist að sýna fram á greinileg merki um ljósmögnun rafgasskautunareinda fyrr en nú.

Fyrsti höfundur greinarinnar, Dr. Malte Gather, lauk doktorsprófi við Háskólann í Köln árið 2008 og var eftir það ráðinn sem nýdoktor í rannsóknahópi Kristjáns. Þar gat hann nýtt reynslu sína af flúrljómandi fjölliðum (plastefnum) sem höfðu verið viðfangsefni hans í doktorsnámi. Fjölliður af þessu tagi gætu í framtíðinni tekið við af hefðbundinni skjátækni og gert skjái og sjónvörp ódýrari, léttari og umhverfisvænni. Fyrir doktorsverkefni sitt hlaut Malte verðlaun frá þýska eðlisfræðifélaginu sem veitt eru fyrir besta doktorsverkefni í rannsóknum í þéttefnisfræði í Þýskalandi á ári hverju. "Það var frábært að fá tækifæri til að nýta þekkingu mína úr doktorsnámi í rannsóknum á nýju sviði við Háskóla Íslands," segir Malte. "Rannsóknir á ljóseiginleikum málmyfirborða eru mikilvægt rannsóknasvið í dag og sú þekking og reynsla sem ég öðlaðist í starfi mínu við HÍ mun án efa nýtast mér í framtíðinni," bætir hann við, en Malte starfar nú við Wellman stofnunina í ljóslæknisfræði við Harvard háskóla. Hann mun þó halda áfram samstarfi við Háskóla Íslands. "Aðstaða til örtækniframleiðslu við Raunvísindastofnun Háskólans býður upp á marga möguleika og gott svigrúm til að prófa sig áfram. Slíkt er ekki alltaf auðvelt á stærri stofnunum."

Rannsóknirnar voru unnar í samstarfi við Háskólann í Köln, sem útvegaði flúrljómandi fjölliður og Fraunhofer rannsóknastofnunina í Jena, Þýskalandi, þar sem gerðir voru líkanareikningar til að styðja við tilraunirnar.

Malte Gather
Kristjan Leosson