Exprimir la luz más allá del límite de difracción y controlar los procesos ópticos causados por la luz nanoconfinada son cuestiones centrales de la nanofotónica. En particular, la luz localizada y mejorada en los nanoespacios plasmónicos en los microscopios de sonda de barrido nos proporciona una plataforma única para obtener información óptica específica del sitio a escala molecular/atómica.
Muy recientemente, se ha aplicado no sólo óptica lineal sino también óptica no lineal a esta nanoscopia mejorada con punta para obtener mayor sensibilidad y resolución espacial. En este contexto, comprender las propiedades ópticas no lineales intrínsecas de las nanocavidades plasmónicas es de creciente importancia para controlar la óptica no lineal de tamaño nanométrico con mayor precisión.
Los investigadores dirigidos por Toshiki Sugimoto, profesor asociado del Instituto de Ciencia Molecular, lograron dilucidar las propiedades ópticas no lineales intrínsecas de las nanocavidades plasmónicas de sustrato de punta. Combinando un sistema láser de pulso de femtosegundo ajustable en longitud de onda con un microscopio de efecto túnel y centrándose en la mejora de la punta de la generación del segundo armónico (SHG), informaron una respuesta óptica no lineal inesperadamente amplia mejorada en la punta en una nanocavidad plasmónica (ver figura 1).
Demostraron que la mejora de la punta de SHG se mantiene en el rango de longitud de onda visible al infrarrojo (ver figura 2a-c). Además, también se verificaron los destacados efectos geométricos de las puntas plasmónicas que dominan esta capacidad de mejora de banda ancha; La propiedad óptica no lineal de banda ancha de las nanocavidades de punta-sustrato está significativamente influenciada no solo por las estructuras de los ápices de las puntas de tamaño nanométrico sino también por los ejes de las puntas de tamaño micrométrico (consulte la figura 2d-i).
El origen de estos efectos geométricos fue revelado mediante simulaciones numéricas precisas de campos plasmónicos dentro de nanocavidades de sustrato de punta. Teóricamente demostraron que las propiedades de los SHG mejoradas con puntas de banda ancha pueden alterarse significativamente en respuesta a estructuras de puntas de escala nanométrica y micrométrica. Las simulaciones que incorporan esta información estructural capturan de manera excelente el comportamiento observado experimentalmente (consulte la figura 2j-l).
Un análisis más detallado de estos resultados simulados reveló el origen de los efectos geométricos en los SHG mejorados con punta; Mientras que los ejes de las puntas a escala micrométrica extienden el rango espectral de la mejora del campo a las regiones del infrarrojo cercano y medio, los vértices de las puntas a escala nanométrica contribuyen principalmente a aumentar la luz visible/infrarroja cercana. Esto indica que los ejes de las puntas a escala micrométrica y los vértices de las puntas a escala nanométrica permiten conjuntamente la mejora simultánea de los procesos de excitación en el infrarrojo medio/cercano y de radiación visible/infrarrojo cercano, respectivamente, logrando un SHG fuertemente mejorado sobre la banda ancha de visible a infrarrojo. región.
Esta demostración de la importante capacidad de mejora de banda ancha de los nanoespacios plasmónicos proporciona una nueva base para el control intencional de fenómenos ópticos no lineales específicos del sitio que van acompañados fundamentalmente de una conversión drástica de longitud de onda. Además, los hallazgos del grupo allanan el camino para el desarrollo de nanoscopia mejorada con punta de próxima generación mediante la explotación de diversos procesos ópticos no lineales.
Con base en estas nuevas técnicas, se abordará con éxito la información química y topográfica correlacionada con la máxima resolución espaciotemporal, promoviendo la investigación microscópica de vanguardia en una variedad de procesos físicos, químicos y biológicos que ocurren en entornos heterogéneos.
Más información: Shota Takahashi et al, Respuesta óptica no lineal mejorada con punta de banda ancha en una nanocavidad plasmónica, The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c01343
Información de la revista: Revista de cartas de química física
Proporcionado por los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales
