Stort steg för platt och justerbar optik

Genom att noga placera nanostrukturer på en plan yta har forskare vid Linköpings universitet markant förbättrat prestandan för så kallade optiska metaytor i ledande plast. Det är ett stort steg för reglerbar platt optik, med framtida tillämpningar som videohologram, osynlighetsmaterial, och sensorer samt inom biomedicinsk avbildning. Studien är publicerad i tidskriften Nature Communications.

För att styra ljus används idag böjda linser, ofta av glas som antingen är konkava eller konvexa, som bryter ljuset på olika sätt. Den typen av linser finns i allt från högteknologisk utrustning som rymdteleskop och radarsystem till vardagliga saker som kameraobjektiv och glasögon. Men glaslinserna tar plats och det är svårt att göra storleken mindre utan att tumma på funktionen.

Med platta linser kan det dock vara möjligt att göra väldigt liten optik och även hitta nya användningsområden. De kallas metalinser och är exempel på optiska metaytor som är ett snabbt växande forskningsområde med mycket potential, men i dagsläget har tekniken sina begränsningar.

– Metaytor fungerar så att nanostrukturer placeras ut i mönster på en plan yta och blir mottagare för ljus. Varje mottagare, eller antenn, fångar upp ljuset på ett visst sätt och tillsammans kan dessa nanostrukturer göra att ljuset kan kontrolleras som man vill, säger Magnus Jonsson, professor i tillämpad fysik vid Linköpings universitet, LiU.

Idag finns optiska metaytor gjorda av till exempel guld eller titandioxid. Men en stor utmaning har varit att metaytornas funktion inte går att justera efter tillverkningen. Såväl forskare som industrin har efterfrågat funktioner som att kunna stänga av och på metaytor eller ändra fokuspunkt för en metalins dynamiskt.

Men år 2019 visade Magnus Jonssons forskargrupp vid Laboratoriet för organisk elektronik vid LiU att ledande plaster (konjugerade polymerer) kan knäcka den nöten. De visade att plasten kunde fungera optiskt som en metall och därmed användas som material till antenner som bygger upp en metayta. Tack vare polymerernas förmåga att oxideras och reduceras kunde nanoantennerna stängas av och på. Prestandan på de metaytor som byggts av ledande polymerer har dock varit begränsad och inte jämförbara med metaytor gjorda av traditionella material.

Nu har samma forskargrupp lyckats förbättra prestandan upp till tio gånger. Genom att precist styra avståndet mellan antennerna skapas en storts resonans där antennerna hjälper varandra och förstärker ljusinteraktionen, det kallas ”collective lattice resonance”.

– Vi visar att metaytor gjorda av ledande polymer verkar kunna ge tillräckligt hög prestanda för att vara aktuella för praktiska tillämpningar, säger Dongqing Lin som är huvudförfattare till studien publicerad i Nature Communications och postdoktor i forskargruppen.

Hittills har forskarna kunnat tillverka reglerbara antenner av ledande polymerer för infrarött ljus, men inte för synligt ljus. Nästa steg är att utveckla materialet att bli funktionellt även i det synliga ljusspektrumet.

Studien finansierades av Europeiska forskningsrådet, Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, Vetenskapsrådet, samt via den svenska regeringens strategiska forskningsområde inom avancerade funktionella materiel (AFM) vid Linköpings universitet.

Artikeln: Switchable Narrow Nonlocal Conducting Polymer Plasmonics, Dongqing Lin, Yulong Duan, Pravallika Bandaru, Pengli Li, Mohammad Shaad Ansari, Alexander Yu. Polyakov, Janna Wilhelmsen, Magnus P. Jonsson, Nature Communications (2025), publicerad online 21 maj 2025. DOI: 10.1038/s41467-025-59764-5

Kontakt

Magnus Jonsson, professor, magnus.jonsson@liu.se, 011-36 34 03