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  • Vedendo la luce:gli scienziati mettono a fuoco i nanocampi plasmonici

    Imaging fluorescenza dall'oro all'interno di un dispositivo plasmonico a forma di papillon, I ricercatori del Berkeley Lab hanno scoperto la posizione dei modi plasmonici a pochi nanometri di distanza.

    Gli scienziati della Molecular Foundry di Berkeley Lab hanno sviluppato un kit di strumenti di imaging basato sul web progettato per i ricercatori che studiano le strutture plasmoniche e fotoniche. Questo software open source è disponibile su http://www.nanohub.org

    Nei tipici dispositivi plasmonici, le onde elettromagnetiche si accalcano in minuscole strutture metalliche, concentrare l'energia in dimensioni nanometriche. A causa dell'accoppiamento di elettronica e fotonica in queste nanostrutture metalliche, i dispositivi plasmonici potrebbero essere sfruttati per la trasmissione di dati ad alta velocità o per array di rivelatori ultraveloci. Però, studiare i campi plasmonici in dispositivi su scala nanometrica rappresenta un vero ostacolo per gli scienziati, poiché l'esame di queste strutture altera intrinsecamente il loro comportamento.

    “Che tu usi un laser o una lampadina, la lunghezza d'onda della luce è ancora troppo grande per studiare i campi plasmonici nelle nanostrutture. Cosa c'è di più, la maggior parte degli strumenti utilizzati per studiare i campi plasmonici altera la distribuzione del campo, proprio il comportamento che speriamo di capire, "dice Jim Schuck, uno scienziato del personale del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) che lavora nella struttura di imaging e manipolazione di nanostrutture presso la Molecular Foundry.

    La microscopia ottica svolge un ruolo fondamentale nel repertorio di uno scienziato:la tecnica è facile da usare e non infligge danni a un circuito elettronico accuratamente realizzato o a un delicato campione biologico. Però, un tipico oggetto di interesse su scala nanometrica, come un filamento di DNA o un punto quantico, è di dimensioni ben al di sotto della lunghezza d'onda della luce visibile, il che significa che la capacità di distinguere uno di questi oggetti da un altro quando sono ravvicinati è persa. Gli scienziati stanno ora sfidando questo limite utilizzando tecniche di "localizzazione", che contano il numero di fotoni emanati da un oggetto per aiutare a determinarne la posizione.

    Nei lavori precedenti, Schuck e colleghi della Fonderia Molecolare, un Centro di ricerca scientifica su nanoscala del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti (DOE), dispositivi plasmonici a forma di papillon progettati per catturare, filtrare e guidare la luce su scala nanometrica. Questi dispositivi di selezione a nano colori servivano come antenne per focalizzare e ordinare la luce in piccoli spazi in un insieme desiderato di colori o energie, cruciale per filtri e altri rilevatori.

    In quest'ultimo anticipo, Schuck e il suo team del Berkeley Lab hanno utilizzato il loro concetto di imaging innovativo per visualizzare i campi plasmonici di questi dispositivi con una risoluzione su scala nanometrica. Imaging fluorescenza dall'oro all'interno del papillon e massimizzando il numero di fotoni raccolti dai loro dispositivi papillon, il team è stato in grado di raccogliere la posizione dei modi plasmonici - oscillazioni di carica che provocano risonanza ottica - a pochi nanometri di distanza.

    "Ci siamo chiesti se ci fosse un modo per utilizzare la luce già presente nei nostri papillon, i fotoni localizzati, per sondare questi campi e fungere da reporter, "dice Schuck. “La nostra tecnica è anche sensibile alle imperfezioni del sistema, come piccoli difetti strutturali o effetti dimensionali, suggerendo che potremmo usare questa tecnica per misurare le prestazioni dei dispositivi plasmonici sia in ambito di ricerca che di sviluppo”.

    Parallelamente ai risultati sperimentali di Schuck, Jeff Neaton, Direttore della struttura per la teoria dei materiali nanostrutturati della Fonderia molecolare e Alex McLeod, uno studente universitario che lavora alla Fonderia, sviluppato un toolkit basato sul web, progettato per calcolare immagini di dispositivi plasmonici con software open source sviluppato presso il Massachusetts Institute of Technology. Per questo studio, i ricercatori hanno simulato la regolazione della struttura di un'antenna a doppio papillon di pochi nanometri per studiare come la modifica delle dimensioni e della simmetria di un'antenna plasmonica influenzi le sue proprietà ottiche.

    “Spostando la loro struttura di pochi nanometri, possiamo focalizzare la luce in diverse posizioni all'interno del papillon con notevole certezza e prevedibilità, ” ha detto McLeod. "Questo lavoro dimostra che queste antenne ottiche su nanoscala risuonano con la luce proprio come prevedono le nostre simulazioni".

    Utile per i ricercatori che studiano strutture plasmoniche e fotoniche, questo toolkit sarà disponibile per il download su nanoHUB, una risorsa computazionale per la nanoscienza e la tecnologia creata attraverso il Network for Computational Nanotechnology della National Science Foundation.

    “Questo lavoro esemplifica davvero il meglio di ciò di cui tratta la Molecular Foundry, "disse Neaton, che è anche vicedirettore ad interim della divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab. “Tre strutture separate della fonderia:imaging, Nanofabbricazione e teoria:hanno collaborato a un significativo progresso nella nostra comprensione di come la luce visibile può essere localizzata, manipolato, e ripreso su scala nanometrica”.

    Un documento che riporta questa ricerca dal titolo, “Visualizzazione non perturbativa delle distribuzioni del campo plasmonico su nanoscala tramite microscopia di localizzazione di fotoni, ” appare in Lettere di revisione fisica ed è disponibile per gli abbonati online. Co-autore del documento con Schuck, McLeod e Neaton erano Alexander Weber-Bargioni, Zhaoyu Zhang, Scott Dhuey, Bruce Harteneck e Stefano Cabrini.

    Parti di questo lavoro presso la Molecular Foundry sono state supportate dall'Office of Science del DOE. Il supporto per questo lavoro è stato fornito anche dalla National Science Foundation attraverso il Network for Computational Nanotechnology.


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