Electromagnetic field shaping for manipulation of atoms and nanoparticles

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Helsinki University of Technology | Diplomityö
Date
2008
Major/Subject
Optiikka ja molekyylimateriaalit
Mcode
Tfy-125
Degree programme
Language
en
Pages
65 + vi
Series
Abstract
Non-uniform electric and magnetic fields provide a versatile tool to manipulate and control the motional states of polarizable and magnetizable particles in a remote and non-destructive fashion. However, as the field force falls dramatically with the particle size, the manipulation of sub-micron particles against their Brownian motion at room temperature is challenging. This requires the use of strong field gradients and high intensities which makes the miniaturization of the field-producing structures preferable. Other motivations to develop miniaturized trapping structures are the improved positional control and reduced power consumption provided by them. The objective of this thesis is to pursue the realization of two novel miniaturized manipulation tools based on static electric and magnetic fields by modeling the trapping potentials, and fabricating the trapping structures. In particular, a method to fabricate a three-dimensional periodic nanoelectrode array for nanoparticle manipulation is described. The method is based on tapering a microstructured photonic crystal fiber and filling the contracted capillaries with a conductive material. Based on numerical simulations, such nanoelectrodes can be used to produce electric-field patterns with nanometer scale features for control and assembly of nanoparticles at room temperature. The other miniaturized device considered in this thesis is a permanent-magnet chip for atom and nanoparticle manipulation. Microscopic magnetic-domain patterns recorded in a ferrite-garnet (FG) film can be used to create microscopic traps for nanoparticles at room temperature and for atoms cooled to AK-range temperatures. The magnetic-domain patterns can be created by using a conventional magneto-optical recording technique. In addition, we have developed a novel technique to record the domain patterns all-optically. These techniques allow one to record and reconfigure the domain patterns in situ. In essence, arbitrary two-dimensional trapping structures can be readily produced. Our FG chip has many advantages over the conventionally used current-carrying wire structures. Most important of them are optical transparency, reconfigurability, and the ability to produce nearly noiseless and strong magnetic fields without any electric-power consumption. In our laboratory, this kind of microscopic magnetic atom traps have been demonstrated experimentally using 85Rb atoms. In all-optical recording the local magnetization direction in the FG film is controlled purely optically by adjusting the beam parameters of the recording laser. This magnetization-reversal phenomenon is intriguing from both fundamental and technological points of view and can be used not only in the magnetic chip technology, but also in other magnetic and optical device applications in which the use of electricity is undesirable. As an example, a novel concept of all-optical memory elements that allow writing and erasing of information in three dimensions, is introduced in this thesis. Both the nanoelectrode array and magnetic FG chip could be integrated with other nano- and microfabricated components to built multifunctional devices on a single substrate. With this respect, the work introduced in this thesis constitutes one more step forwards the "lab on a chip" technology.

Sähkö- ja magneettikentän gradientin avulla voidaan kontrolloida polaroituvien ja magnetoituvien partikkelien liikettä etäältä, vahingoittamatta partikkelia. Gradienttivoiman suuruus kuitenkin pienenee voimakkaasti partikkelin pienentyessä. Toisaalta partikkelien satunnainen lämpöliike ei riipu partikkelin koosta. Täten alle mikrometrin kokoisten partikkelien kontrollointi huoneen lämpötilassa on haastavaa; riittävän suuren voiman synnyttämiseksi tarvitaan erittäin suuri gradientti ja voimakas intensiteetti. Nano- ja mikroskooppisilla rakenteilla nämä suureet voidaan synnyttää matalilla jännitteen ja virran arvoilla. Lisäksi kenttäjakauman spatiaalinen resoluutio paranee rakenteiden koon pienentyessä. Tässä diplomityössä tutkitaan kuinka staattisia, nano- ja mikroskooppisia sähkömagneettisia rakenteita voidaan käyttää nanopartikkeleiden ja atomien vangitsemiseen. Työn tarkoituksena on tutkia kahden rakenteen valmistusta kokeellisesti, sekä analysoida teoreettisesti partikkelien käyttäytymistä rakenteiden synnyttämässä kentässä. Ensimmäinen tutkittava rakenne on kolmedimensionaalinen nanoelektrodihila. Elektrodihilan tukirakenne, nanohila, valmistetaan venyttämällä fotonikidekuitua. Nanohilarakenteet täytetään sitten johtavalla materiaalilla, joka muodostaa elektrodit. Nanoelektrodirakenteilla voidaan synnyttää nanoskooppisia sähkökenttäjakaumia, jotka mahdollistavat nanopartikkeleiden kontrolloimisen huoneenlämpötilassa. Toinen tutkittava rakenne on mikroskooppisiin magneettikuvioihin perustuva atomiloukku. Perinteinen magneto-optinen ja tässä työssä kehitetty täysin optinen kirjoitusmenetelmä mahdollistavat mielivaltaisten, kaksi-dimensionaalisten, mikromagnetoitumien kirjoittamisen rautagarnetti (FG)-kalvoihin. Kuvioiden synnyttämää magneettikenttäjakaumaa voidaan käyttää laserjäähdytettyjen atomien tai huoneenlämpötilaisten nanopartikkeleiden vangitsemiseen. Tyypillisesti mikromagneettiset atomiloukut perustuvat virtajohtorakenteisiin. FG-loukulla on monia etuja edellä mainittuihin nähden. Materiaali on läpinäkyvä ja mahdollistaa lähes häiriöttömien ja voimakkaiden magneettikenttien synnyttämisen. Lisäksi ym. magnetointimenetelmät mahdollistavat partikkeliloukun jatkuvan muokkaamisen. Tässä työssä selostetaan laserjäähdytettyjen 85Rb atomien vangitsemista tällaisiin mikromagneettisiin loukkuihin. Optisella kirjoitusmenetelmällä voidaan kääntää lokaalin magnetoituman suunta FG-kalvossa säätämällä ainoastaan kirjoittavan lasersäteen parametreja. Menetelmä on hyvin mielenkiintoinen sekä perustavalta laadultaan, että optisten sovellusten, kuten esimerkiksi FG-atomiloukun, kannalta. Erityisesti magneettiset ja optiset laiteet, joissa sähkönvirtojen käyttö on epäsuotavaa, hyötyvät menetelmästä. Eräs lupaava sovellus on optinen muisti, joka mahdollistaa informaation kirjoittamisen kolmessa dimensiossa. Sekä työssä selostetut nanoelektrodirakenne että kestomagneetteihin perustuva partikkeliloukku voidaan integroida muiden elektronisten ja optisten nano- ja mikrokomponenttien kanssa. Yleinen tavoite on valmistaa siruja, jotka sisältää kokonaisia "nano- tai mikrolaboratorioita". Tämän työn tulokset tuovat tavoitteen lähemmäs toteutumista.
Description
Supervisor
Kaivola, Matti
Thesis advisor
Shevchenko, Andriy
Keywords
nanoparticle trap, nanopartikkeliloukku, nanoelectrode array, nanoelektrodihila, nanoparticle assembly, nanopartikkelien järjestäminen, microscopic atom trap, mikroskooppinen atomiloukku, ferrite-garnet film, rautagarnetti kalvo, magneto-optical recording, magneto-optinen kirjoittaminen, all-optical recording, täysin optinen kirjoittaminen, optical data storage, optinen muisti
Other note
Citation