Los investigadores de la Universidad de Rice que estudian el efecto de la luz en los molinetes (izquierda) y las nanopartículas de oro en forma de C (derecha) han encontrado un efecto desconocido en partículas individuales. Estimular las partículas correctamente produjo una modulación casi perfecta de la luz que dispersan a través de su respuesta plasmónica. El descubrimiento puede resultar útil en el desarrollo de chips para componentes ópticos de próxima generación para computadoras y antenas. Crédito:Link Research Group / Rice University
Los investigadores de la Universidad de Rice han descubierto una forma fundamentalmente diferente de interacción luz-materia en sus experimentos con nanopartículas de oro.
Ellos no lo estaban buscando pero los estudiantes del laboratorio del químico de Rice, Stephan Link, descubrieron que excitar las partículas microscópicas a la perfección producía una modulación casi perfecta de la luz que dispersaban. El descubrimiento puede resultar útil en el desarrollo de la próxima generación, componentes ópticos ultrapequeños para ordenadores y antenas.
Un artículo sobre la investigación aparece en la revista American Chemical Society. ACS Nano .
El trabajo surge de las complicadas interacciones entre la luz y las partículas metálicas plasmónicas que absorben y dispersan la luz de manera extremadamente eficiente. Los plasmones son cuasipartículas, excitaciones colectivas que se mueven en ondas sobre la superficie de algunos metales cuando son excitadas por la luz.
Los investigadores de Rice estaban estudiando estructuras plasmónicas en forma de molinete de nanopartículas de oro en forma de C para ver cómo respondían a la luz polarizada circularmente y su campo eléctrico giratorio. especialmente cuando la mano, o el sentido de giro de la polarización, fue invertido. Entonces decidieron estudiar partículas individuales.
"Lo convertimos en el sistema más simple posible en el que solo teníamos un brazo del molinillo, con una sola dirección de luz incidente, "dijo Lauren McCarthy, estudiante de posgrado en el laboratorio Link. "No esperábamos ver nada. Fue una completa sorpresa cuando puse esta muestra en el microscopio y roté mi polarización de izquierda a derecha. Yo estaba como, '¿Estos se encienden y apagan?' Se supone que eso no debe suceder ".
La luz circularmente polarizada entregada en un ángulo particular a las nanopartículas de oro en forma de C produjo una respuesta plasmónica como ninguna descubierta antes. según investigadores de la Universidad de Rice. Cuando la luz polarizada incidente se cambió de zurda (azul) a derecha (verde) y viceversa, la luz de los plasmones se encendía y apagaba casi por completo. Crédito:Link Research Group / Rice University
Ella y el coautor principal Kyle Smith, un ex alumno reciente de Rice, Tuvo que profundizar para descubrir por qué vieron esta "modulación gigante".
Al principio, sabían que hacer brillar luz polarizada en un ángulo particular sobre la superficie de su muestra de nanopartículas de oro unidas a un sustrato de vidrio crearía un campo evanescente, una onda electromagnética oscilante que recorre la superficie del vidrio y atrapa la luz como espejos paralelos, un efecto conocido como reflexión interna total.
También sabían que la luz polarizada circularmente se compone de ondas transversales. Las ondas transversales son perpendiculares a la dirección en que se mueve la luz y se pueden usar para controlar la salida plasmónica visible de la partícula. Pero cuando la luz es confinada, también se producen ondas longitudinales. Donde las ondas transversales se mueven hacia arriba y hacia abajo y de lado a lado, Las ondas longitudinales se parecen a las gotas que se bombean a través de una tubería (como se ilustra al agitar un Slinky).
Descubrieron que la respuesta plasmónica de las nanopartículas de oro en forma de C depende de las interacciones fuera de fase entre las ondas transversales y longitudinales en el campo evanescente.
Para el molinillo los investigadores descubrieron que podían cambiar la intensidad de la salida de luz hasta en un 50 por ciento simplemente cambiando la orientación de la entrada de luz polarizada circularmente, cambiando así la fase relativa entre las ondas transversal y longitudinal.
La estudiante graduada de Rice University Lauren McCarthy ajusta el polarizador que usó para descubrir una forma fundamentalmente diferente de interacción luz-materia en experimentos con nanopartículas de oro. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
Cuando dividieron el experimento en individuos, Nanopartículas de oro en forma de C, encontraron que la forma era importante para el efecto. Cambiar la orientación de la entrada polarizada hizo que las partículas se encendieran y apagaran casi por completo.
Las simulaciones del efecto realizadas por el físico de Rice Peter Nordlander y su equipo confirmaron la explicación de lo que observaron los investigadores.
"Sabíamos que teníamos un campo evanescente y sabíamos que podría estar haciendo algo diferente, pero no sabíamos exactamente qué ", Dijo McCarthy." Eso no nos quedó claro hasta que hicimos las simulaciones, diciéndonos qué excitaba realmente la luz en las partículas, y ver que realmente coincide con el aspecto del campo evanescente.
"Nos llevó a darnos cuenta de que esto no se puede explicar por cómo funciona normalmente la luz, ", dijo." Tuvimos que ajustar nuestra comprensión de cómo la luz puede interactuar con este tipo de estructuras ".
La forma de la nanopartícula desencadena la orientación de tres dipolos (concentraciones de carga positiva y negativa) en las partículas, Dijo McCarthy.
Como se ve bajo la lente del objetivo de un microscopio, Los investigadores de la Universidad de Rice descubrieron que la luz polarizada circularmente (aquí se muestra la polarización circular derecha (RCP)) tenía la capacidad de modificar drásticamente la salida plasmónica de nanopartículas de oro en forma de C. La entrada de luz desencadenó la modificación al cambiar la relación de fase de las ondas transversales y longitudinales en un campo evanescente que excita la partícula. Eso, a su vez, controló el nivel de respuesta plasmónica. La letra k representa la dirección de la entrada de luz en la partícula después de que pasa a través de un prisma. Crédito:Link Research Group / Rice University
"El hecho de que el medio anillo tenga un radio de curvatura de 100 nanómetros significa que toda la estructura ocupa media longitud de onda de luz, ", dijo." Creemos que eso es importante para excitar a los dipolos en esta orientación en particular ".
Las simulaciones mostraron que invertir la mano de luz polarizada incidente y arrojar las ondas fuera de fase invirtió la dirección del dipolo central, reduciendo drásticamente la capacidad del medio anillo para dispersar la luz bajo un solo incidente. La polarización del campo evanescente explica el efecto de encendido y apagado casi completo de las estructuras en forma de C.
"Curiosamente, de alguna manera hemos completado el círculo con este trabajo, "Link dijo." Las superficies metálicas planas también soportan plasmones superficiales como nanopartículas, pero solo pueden excitarse con ondas evanescentes y no se dispersan en el campo lejano. Aquí descubrimos que la excitación de nanopartículas con formas específicas que utilizan ondas evanescentes produce plasmones con propiedades de dispersión que son diferentes de las excitadas con la luz del espacio libre ".
