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    Almacenamiento de datos basado en cifrado de polarización en nanoaperturas helicoidales plasmónicas 3-D Janus

    Diseño y fabricación de nanoaberturas helicoidales plasmónicas 3D Janus. (a) Un diagrama esquemático de la nanoapertura helicoidal plasmónica 3D Janus en dos formas enantioméricas:Forma A y Forma B. Los parámetros geométricos son p =380 nm, r0 =160 nm, r1 =110 nm, θ =90 °, y H =180 nm. Para el Formulario B en la fila inferior, la profundidad de la parte de la ranura de degradado aumenta a lo largo de la flecha roja, mientras que la parte de apertura está indicada por la doble flecha azul. (b) Una ilustración del método de molienda por haz de iones enfocado en escala de grises. (c) La profundidad de fresado obtenida experimentalmente en función de la dosis de iones aplicada. (d) Distribuciones de dosis de iones normalizadas e imágenes SEM de las nanoaberturas helicoidales 3D fabricadas. Las imágenes de vista lateral se capturan con un ángulo visual de 52 ° con respecto a la superficie normal. Las flechas de trazos rojos indican la dirección a lo largo de la cual aumenta la profundidad de la ranura. Las barras de escala son 200, 100, y 100 nm de izquierda a derecha. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0156-8

    Las nanoestructuras plasmónicas helicoidales han atraído una atención considerable en la ciencia de los materiales y la química debido a su quiralidad óptica inherente. En un nuevo informe, Yang Chen y un equipo de investigación en el departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de los EE. UU. Desarrollaron nanoaperturas helicoidales plasmónicas (orificios helicoidales) en 3-D Janus (nanopartículas con dos o más propiedades superficiales) únicas, con sensibilidad de polarización controlada por dirección. Diseñaron las estructuras helicoidales utilizando un fresado de haz de iones (FIB) enfocado en escala de grises de un solo paso. Chen y col. luego codificó la metasuperficie de Janus con dos enantiómeros de nanoapertura (moléculas de imagen de espejo izquierda y derecha entre sí) con ángulos de rotación específicos para demostrar el cifrado de datos de polarización controlada por dirección por primera vez.

    Las muestras diseñadas en el trabajo permitieron la transmisión selectiva de ciertos tipos de luz polarizada, mientras bloquea a otros. Esta sensibilidad a la polarización dependía de la dirección de la luz entrante; por ejemplo, la luz en una dirección específica incitó a las matrices a producir imágenes binarias, mientras que la luz en la dirección opuesta podría reproducir fotografías en escala de grises. Chen y col. Imagínese el uso de las nanoaperturas helicoidales Janus propuestas para una variedad de aplicaciones que van desde el control de polarización dentro de dispositivos fotónicos incorporados, detección avanzada de enantiómeros, cifrado y descifrado de datos, así como procesamiento óptico de información. Los nuevos resultados ahora se publican en Luz:ciencia y aplicaciones .

    La quiralidad fue definida por primera vez por Lord Kelvin para describir cualquier figura geométrica cuya imagen especular no pudiera coincidir consigo misma. La propiedad es ubicua en objetos biológicos que van desde pequeñas biomoléculas como aminoácidos y nucleótidos hasta macromoléculas más grandes como proteínas y ácidos nucleicos. e incluso nuestras manos y pies. Si bien las versiones para diestros y zurdos de una molécula conocida como enantiómeros pueden tener propiedades químicas y físicas similares, pueden realizar funciones biológicas completamente diferentes en diversos campos de aplicaciones.

    Diseño y fabricación de nanoaberturas helicoidales plasmónicas 3D Janus. Distribuciones de dosis de iones normalizadas e imágenes SEM de las nanoaperturas helicoidales 3D fabricadas de enantiómeros de forma A y forma B. Las imágenes de vista lateral se capturan con un ángulo visual de 52 ° con respecto a la superficie normal. Las flechas de trazos rojos indican la dirección a lo largo de la cual aumenta la profundidad de la ranura. Las barras de escala son 200, 100, y 100 nm de izquierda a derecha. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0156-8

    La espectroscopia de dicroísmo circular (CD) se usa típicamente para analizar la quiroptica de dos enantiómeros, pero los efectos quiropticos son extremadamente débiles en materiales naturales. Para superar este desafío, Los científicos desarrollaron previamente estructuras plasmónicas quirales para aumentar significativamente las señales de CD de las moléculas quirales. Aparte de este propósito, Tales estructuras también tienen aplicaciones adicionales como polarizadores en miniatura, Óptica no lineal y dispositivos ópticos controlados por giro. Las nanoestructuras plasmónicas helicoidales son importantes ya que el vector de campo eléctrico de luz polarizada circularmente (CPL) puede seguir una trayectoria helicoidal. Como resultado, Se esperan fuertes interacciones de la materia ligera cuando la lateralidad de las nanoestructuras helicoidales coincide con la de CPL. Sin embargo, Es un desafío fabricar tales nanoestructuras helicoidales en la práctica.

    Los científicos de materiales han utilizado previamente la escritura láser directa de dos fotones seguida de un paso de galvanoplastia para producir una hélice plasmónica tridimensional. que tenía límites de resolución espacial en la microescala durante las aplicaciones en el espectro visible e infrarrojo cercano. Similar, La deposición inducida por haz de electrones / iones enfocado podría escalar la estructura helicoidal a la nanoestructura, pero el método carecía de velocidad para la producción a gran escala. Como consecuencia, Actualmente se requieren instalaciones de litografía con alineación de alta resolución y operaciones delicadas para fabricar de manera conveniente y rápida nanoestructuras helicoidales plasmónicas con señales de CD gigantes.

    Propiedades ópticas de la nanoapertura helicoidal plasmónica 3D Janus en la dirección de avance. (a) Espectros de transmisión simulados y (b) medidos de la matriz de nanoaperturas helicoidales en la Forma A para varias combinaciones de inclinación lateral incidente / salida en la dirección de avance, junto con los correspondientes espectros CDTF. (c) La intensidad de transmisión medida en función del ángulo azimutal α de la luz incidente LP a 830 nm. (d) Espectros de reflexión y espectros de absorción simulados y (e) medidos bajo incidencia RCP (polarización circular a la derecha) y LCP (polarización circular a la izquierda) en la dirección de avance. (f) Ilustraciones de los procesos de acoplamiento de modos dependientes del espín dentro de las nanoaperturas helicoidales 3D en Forma A y Forma B, que se puede considerar como una serie de segmentos de guía de ondas en cascada (WG n − 1, WG n, WG n + 1, ..). Las distribuciones de modo circular dicroico se presentan dentro del segmento de guía de ondas WG n a 812 nm. (g) Distribuciones de campo eléctrico 6 nm por encima del plano de salida de la nanoapertura helicoidal en Forma A bajo incidencia de RCP y LCP a 812 nm. h Distribuciones de flujo de potencia óptica dentro de la nanoapertura helicoidal en Forma A bajo incidencia de RCP y LCP a 812 nm. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0156-8

    En el presente trabajo, Chen y col. grabó las nanoaperturas helicoidales plasmónicas 3-D Janus en una sola, Película de oro ópticamente gruesa con una abertura en forma de arco y una ranura de gradiente en forma de arco conectadas de extremo a extremo entre sí. Según la profundidad de la ranura de degradado, que se incrementó en sentido horario o antihorario, las nanoaperturas helicoidales quirales existían en dos formas enantioméricas como versiones "A" y "B" que eran simétricas en espejo entre sí. Los científicos aplicaron una alta dosis de Ga + iones durante el proceso de fresado de haz de iones enfocado y ajustaron delicadamente el enfoque y el astigmatismo del haz de iones para formar las matrices de nanoaperturas helicoidales tridimensionales con una uniformidad satisfactoria.

    Luego estudiaron las propiedades quiropticas de nanoaperturas helicoidales plasmónicas 3-D en la dirección de avance, cuando la luz polarizada circularmente (CPL) se iluminó sobre la superficie de oro y se transmitió desde el sustrato de sílice dentro de la configuración experimental. La simulación numérica realizada con COMSOL Multiphysics y los resultados experimentales del estudio coincidieron, y Chen et al. atribuyó cualquier discrepancia experimental a las imperfecciones de fabricación en el sistema FIB.

    Almacenamiento de datos cifrados por polarización controlada por dirección con la metasuperficie Janus. (a) Un diagrama esquemático de la metasuperficie de Janus para el almacenamiento de datos encriptados por polarización controlada por dirección. (Fotografía usada con autorización:Niels Henrik David Bohr (1885-1962) físico danés. Teoría cuántica. Premio Nobel de física 1922 / Archivo de Historia Universal / UIG / Bridgeman Images.) (B) Una ilustración del proceso de codificación de metasuperficie con los dos enantiómeros de nanoapertura que tienen ángulos de rotación especificados. (c) La intensidad de transmisión normalizada de la luz LP en la dirección hacia atrás, que sigue la ley de Malus con respecto al ángulo θ entre la dirección de polarización incidente y el eje de transmisión de la nanoapertura helicoidal 3D. (d) Imágenes de transmisión capturadas de la metasuperficie de Janus a 800 nm en las direcciones hacia adelante y hacia atrás para varias polarizaciones incidentes. Barra de escala:10 μm. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0156-8

    Los científicos modelaron las nanoaperturas helicoidales tridimensionales como una serie de segmentos de guías de ondas en forma de arco en cascada para lograr la quiralidad óptica esperada. Si la mano de la CPL (luz polarizada circularmente) coincidió con la de la ranura de degradado, la potencia óptica entrante podría recolectarse en el área de apertura a lo largo de la ranura del gradiente para producir una transmisión fuerte en la configuración experimental.

    Chen y col. luego determinó las propiedades ópticas de la nanoapertura helicoidal plasmónica 3-D Janus en la dirección hacia atrás. Para esto, iluminaron la luz en el sustrato de sílice para transmitirla desde la superficie dorada para obtener una intensidad casi similar en la dirección hacia atrás, los resultados mostraron dicroísmo lineal gigante (no dicroísmo circular) con luz polarizada circularmente.

    Rendimiento de banda ancha de la metasuperficie Janus. Las imágenes se capturan en condiciones de iluminación adecuadas de dirección y polarización a 690, 745, 800, 845, y 890 nm. Barra de escala:10 μm. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0156-8

    Con base en estos resultados, Chen y col. codificó la metasuperficie de Janus para construir una imagen de código QR (respuesta rápida) binaria en la dirección de avance bajo iluminación polarizada circularmente (RCP) para diestros. En el segundo paso, codificaron una imagen en escala de grises en la dirección hacia atrás bajo luz linealmente polarizada. Pudieron codificar información en la misma metasuperficie de Janus sin perturbaciones mutuas y revelar la imagen del código QR cuando solo iluminaron la luz de la mano derecha en la dirección de avance para descifrar y conectarse a un mensaje codificado que vinculaba el sitio de Wikipedia del físico Niels Bohr. Chen y col. probó el rendimiento de banda ancha de la metasuperficie Janus para distinguir la imagen del código QR utilizando un escáner de código QR a 690 nm, que van hasta 890 nm.

    De este modo, Chen y col. introdujo un nuevo tipo de nanoapertura plasmónica 3-D Janus que utiliza sensibilidad de polarización con cambio de dirección. Fabricaron el dispositivo utilizando un fresado FIB en escala de grises de un solo paso. Las propiedades ópticas únicas de las nanoaperturas helicoidales tridimensionales les permitieron encriptar y desencriptar datos usando polarización de luz controlada por dirección. El trabajo tendrá adicionales, aplicaciones de próxima generación como polarizadores multifuncionales, pantallas de alta resolución y en procesamiento óptico de información.

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