Diagramas esquemáticos de dos configuraciones para el control coherente en el plano de las resonancias de plasmón. un interferómetro de guía de ondas de fibra. b Microscopio confocal de campo oscuro (DF), donde la iluminación de un cuarto se puede satisfacer bloqueando 3/4 del área de la abertura anular. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1
La luz que incide en las nanopartículas metálicas puede iniciar el movimiento colectivo de los electrones, provocando una fuerte amplificación del campo electromagnético local. Estas resonancias plasmónicas tienen un papel importante en la biosensibilidad con la capacidad de mejorar la resolución y la sensibilidad necesarias para detectar partículas a la escala de una sola molécula. El control de resonancias de plasmón en metadispositivos tiene aplicaciones potenciales en todo-óptico, modulación de señal de luz con luz y procesamiento de imágenes. Los informes han demostrado el control coherente fuera del plano de las resonancias de plasmón modulando los metadispositivos en ondas estacionarias. En dispositivos ópticos, la luz se puede transferir a lo largo de las superficies para el control sin precedentes de plasmones. Cuando las oscilaciones en los electrones conductores se acoplan con fotones de luz, Las resonancias de plasmones superficiales localizados (LSPR) pueden actuar como portadores de información para sensores ópticos de tamaño nanométrico y en computadoras.
En un estudio reciente, Liyong Jiang y sus colaboradores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Nanjing demostraron dos métodos para la iluminación en el plano de LSPR como prueba de principio en nanodiscos de oro. Los resultados de su trabajo mostraron que los LSPR podían cambiarse a diferentes estados ajustando la luz incidente para codificar datos lógicos en cadenas de una manera que hasta ahora no era posible con iluminación fuera del plano. Los resultados ahora se publican en Luz:ciencia y aplicaciones .
En la última década se dedicaron importantes esfuerzos al estudio de las interacciones luz-materia a nanoescala en sistemas plasmónicos. La capacidad de controlar LSPR ha dado lugar a muchas aplicaciones prácticas, incluyendo ejemplos pioneros como:
Control coherente en el plano de las resonancias de plasmones en monómeros de nanodiscos de oro. a, b Espectros de absorción normalizados calculados de monómeros de nanodiscos de oro con un diámetro que varía de 140 a 200 nm para ondas planas en plano polarizadas en s que provienen del lado derecho (línea discontinua) o de ambos lados (línea continua) sin retardo de fase, o con un retardo de fase de π. "F" y "H" representan resonancias de plasmones fundamentales y de orden superior. c – e Las distribuciones espaciales correspondientes de la amplitud del campo eléctrico | E |, parte real Re (Ez), y la parte imaginaria Im (Ez) para los modos "F" y "H" (signos cuadrados y circulares) del monómero de nanodisco de oro representativo (D =160 nm) bajo iluminación asimétrica y simétrica en el plano. Bajo iluminación simétrica en el plano, podemos observar interferencia constructiva / destructiva dependiente del retardo de fase para los modos “F” y “H”. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1
Durante las etapas iniciales de desarrollo, Los científicos se centraron en controlar LSPR mediante el diseño de configuraciones de nanoestructuras plasmónicas. Entendieron el LSPR dependiente del tamaño y la forma de nanopartículas plasmónicas individuales y sistemas plasmónicos acoplados basados en la teoría clásica de Mie y modelos de hibridación plasmónica bien establecidos. Adicionalmente, el haz de luz iluminaba típicamente la superficie de la muestra desde una dirección en estudios ópticos convencionales de nanoantenas simples y acopladas.
Aunque la capacidad de controlar las resonancias de plasmones a través de la iluminación fuera del plano ha abierto un nuevo camino para modular las señales, el proceso ha mostrado limitaciones. Como resultado, Jiang y col. informó sobre el control coherente en el plano de las resonancias de plasmón en nanoantenas metálicas típicas. Los científicos proporcionaron una demostración de prueba de principio de aplicaciones de codificación y conmutación plasmónica para nanodiscos de oro simples y acoplados.
Para lograr un control coherente en el plano de las resonancias de plasmón en el laboratorio, los científicos propusieron dos posibles configuraciones experimentales. Uno se basó en un interferómetro de guía de ondas de fibra, que enfrentó desafíos durante los experimentos. En comparación, el segundo método incluía un método más conveniente, configuración de microscopía confocal de campo oscuro ampliamente utilizada. En esto, la condición de iluminación en el plano completamente simétrica podría satisfacerse temprano cuando la luz de entrada se enfoca en el centro de la muestra. Para construir iluminación asimétrica en el plano, los científicos bloquearon tres cuartos del área de la abertura anular. Jiang y col. mostró que la configuración era adecuada para estudiar nanoestructuras plasmónicas con tamaños comparables al tamaño del punto enfocado del haz de luz incidente.
Demostración de la regla de distribución del campo eléctrico para el monómero y dímero de nanodisco de oro de 200 nm mediante s-SNOM. a Esquema de la medición s-SNOM para configuraciones de excitación-recolección s – s y s – p. La longitud de onda del láser de excitación es de 633 nm y el ángulo de incidencia con respecto al plano del sustrato es de 30 °. b Espectros de absorción normalizados calculados de monómero y dímero de nanodisco de oro de 200 nm con un ángulo de incidencia de 30 ° bajo iluminación asimétrica (línea discontinua) o simétrica (línea continua) sin retardo de fase. El tamaño del espacio en el dímero es de 30 nm. c Imágenes microscópicas de fuerza atómica (AFM) de monómero y dímero de nanodisco de oro para mediciones s – sy s – p. La flecha roja representa la dirección de incidencia del láser y la línea discontinua azul representa el eje central del nanodisco. D, e Distribuciones espaciales experimentales y simuladas de la amplitud | A |, fase ϕ, y parte real del componente de campo eléctrico Ey en la medición de s – s y Ez en la medición de s – p para monómero y dímero de nanodisco de oro de 200 nm. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1
Diseñar las muestras de nanodiscos de oro en dióxido de silicio / sílice (SiO 2 / Si) sustratos, Jiang y col. utilizó litografía por haz de electrones (EBL) junto con un proceso de despegue. Completaron el proceso de fabricación recubriendo la superficie del sustrato con una película de oro y una capa de adhesión de cromo (Cr) subyacente mediante evaporación por haz de electrones. Luego, los científicos estudiaron el control coherente en el plano de las resonancias de plasmón en los nanodiscos de oro y calcularon los espectros de absorción de los monómeros de los nanodiscos de oro en un rango de diámetros de 140 a 200 nm; fabricado en el SiO 2 / Superficie del sustrato de Si.
En el trabajo, ellos establecieron y verificaron experimentalmente la regla de distribución de los componentes del campo eléctrico para realizar resonancias de plasmón constructivas y destructivas en una nanoestructura plasmónica aximétrica. Mostraron cómo el control coherente en el plano de las resonancias de plasmón se basaba en gran medida en la configuración y simetría de las nanoestructuras plasmónicas, en comparación con el control coherente fuera del plano. Esta característica puede permitir libertad en la adaptación e ingeniería de múltiples resonancias de plasmón en otras estructuras plasmónicas simétricas, que incluyen nanoesferas, nanorod, nano-polímeros de pajarita y nanoestructura.
Demostración de conmutación plasmónica mediante medición de dispersión de campo oscuro (DF) de monómero y dímero de nanodisco de oro. a Espectros de dispersión DF normalizados de monómero de nanodisco de oro con un diámetro de 200 nm (imagen SEM) con iluminación completa y un cuarto. b Los correspondientes espectros de dispersión y absorción simulados normalizados. C, d Espectros de dispersión de DF medidos y simulados normalizados de dímero de nanodisco de oro con un diámetro de 200 nm y un tamaño de espacio de 30 nm (imagen SEM) con iluminación completa y un cuarto de iluminación. Las curvas sólidas rojas en c son los resultados del suavizado. La barra de escala en las imágenes SEM es de 200 nm. mi, f Diagramas de polarización de iluminación completa y de cuarto en la medición y simulación de dispersión DF para monómero y dímero de nanodisco de oro. Tanto en el experimento como en la simulación, la excitación está polarizada en s o p y la colección no está polarizada. Las flechas negras y rojas de dos puntas representan la polarización inicial y la polarización después de enfocar, respectivamente. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1
Para obtener imágenes de los modos de resonancia del plasmón en nanodiscos de oro, los científicos utilizaron una técnica s-SNOM sensible a la polarización, que puede detectar luz en las regiones de escala nanométrica directamente debajo de la punta de la sonda microscópica de fuerza atómica (AFM). Los científicos utilizaron un esquema de geometría s-s / s-p y utilizaron una punta dieléctrica (Si) para las mediciones. Iluminaron la muestra mediante radiación láser con una luz incidente de 30 0 con respecto al plano del sustrato. Jiang y col. midió la amplitud y la fase de la señal dispersa basándose en el cuarto armónico de la frecuencia de tapping de la punta AFM. Utilizaron un analizador frente al detector para seleccionar el componente polarizado s o p de la luz dispersa.
Demostración de conmutación plasmónica mediante medición de dispersión de campo oscuro (DF) de monómero y dímero de nanodisco de oro. a Espectros de dispersión DF normalizados de monómero de nanodisco de oro con un diámetro de 200 nm (imagen SEM) con iluminación completa y un cuarto. b Los correspondientes espectros de dispersión y absorción simulados normalizados. C, d Espectros de dispersión de DF medidos y simulados normalizados de dímero de nanodisco de oro con un diámetro de 200 nm y un tamaño de espacio de 30 nm (imagen SEM) con iluminación completa y un cuarto de iluminación. Las curvas sólidas rojas en c son los resultados del suavizado. La barra de escala en las imágenes SEM es de 200 nm. mi, f Diagramas de polarización de iluminación completa y de cuarto en la medición y simulación de dispersión DF para monómero y dímero de nanodisco de oro. Tanto en el experimento como en la simulación, la excitación está polarizada en s o p y la colección no está polarizada. Las flechas negras y rojas de dos puntas representan la polarización inicial y la polarización después de enfocar, respectivamente. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1
Jiang y col. también demostró conmutación plasmónica con mediciones de dispersión de campo oscuro (DF) de un monómero o dímero de nanodisco de oro. En la configuración experimental utilizaron un sistema de microscopía confocal Raman para medir los espectros de dispersión. Luego utilizaron paquetes de software disponibles comercialmente para realizar simulaciones numéricas en el estudio. Las simulaciones incluyeron distribuciones de campos eléctricos, espectros de absorción y dispersión para nanodiscos de oro. Simularon los complejos parámetros electromagnéticos para el oro y el cromo incorporados en la configuración experimental, basado en publicaciones anteriores.
Codificación plasmónica en cadenas de nanodiscos de oro. a Espectros de absorción calculados de cadenas de nanodiscos de oro que constan de diferentes números de nanodiscos iluminados por la onda plana en el plano polarizada en s procedente del lado derecho (línea discontinua) o de ambos lados (línea continua). El diámetro del nanodisco es de 140 nm y la distancia de separación es de 30 nm. Las resonancias de plasmón destructivas y constructivas están representadas por colores verde y rojo, respectivamente. b Distribuciones espaciales de amplitud de campo eléctrico | E | para las resonancias del plasmón “F” (posición de pico) bajo iluminación simétrica. c Distribuciones de amplitud de campo eléctrico cortadas a lo largo del borde de la cadena (la línea blanca discontinua en b). d – g Distribuciones espaciales correspondientes de la parte real e imaginaria de Ez cuando la onda plana en el plano con polarización s proviene del lado izquierdo (d, f) y lado derecho (e, g) respectivamente. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1
De este modo, Jiang y col. demostró conmutación y codificación plasmónica de prueba de principio en el estudio. Esperan más aplicaciones potenciales basadas en la capacidad demostrada para el control coherente en el plano de la resonancia del plasmón. Por ejemplo, Los científicos pueden utilizar el método para estudiar espectros mejorados de superficie selectivos, donde la fotoluminiscencia o la señal Raman de múltiples moléculas puede mejorarse selectivamente. Esto permitirá controlar el estado de encendido / apagado de múltiples resonancias de plasmón en una nano-antena común. Los científicos proponen extender el esquema de codificación plasmónica demostrado en el estudio a las imágenes plasmónicas, nano láser y comunicación óptica en nanocircuitos. Por ejemplo, Los científicos pueden combinar cadenas de nanoestructuras plasmónicas con diferentes características de codificación para construir puertas lógicas (para operaciones lógicas booleanas), así como diseñar guías de onda multicanal para procesos y almacenamiento de información totalmente óptica.
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