I ricercatori della Rice University hanno scoperto una forma fondamentalmente diversa di interazione luce-materia nei loro esperimenti con nanoparticelle d'oro.

non lo cercavano, ma gli studenti del laboratorio del chimico della Rice, Stephan Link, hanno scoperto che l'eccitazione delle particelle microscopiche produceva una modulazione quasi perfetta della luce che diffondono. La scoperta può diventare utile nello sviluppo della prossima generazione, componenti ottici ultrapiccoli per computer e antenne.

Un articolo sulla ricerca appare sulla rivista dell'American Chemical Society ACS Nano .

Il lavoro nasce dalle complicate interazioni tra la luce e le particelle metalliche plasmoniche che assorbono e diffondono la luce in modo estremamente efficiente. I plasmoni sono quasiparticelle, eccitazioni collettive che si muovono in onde sulla superficie di alcuni metalli quando eccitate dalla luce.

I ricercatori della Rice stavano studiando strutture plasmoniche simili a girandole di nanoparticelle d'oro a forma di C per vedere come rispondevano alla luce polarizzata circolarmente e al suo campo elettrico rotante, soprattutto quando la manualità, o il senso di rotazione della polarizzazione, è stato invertito. Hanno quindi deciso di studiare le singole particelle.

"L'abbiamo ridotto al sistema più semplice possibile in cui avevamo solo un singolo braccio della girandola, con un'unica direzione di luce incidente, " ha detto Lauren McCarthy, uno studente laureato nel laboratorio Link. "Non ci aspettavamo di vedere nulla. È stata una sorpresa completa quando ho messo questo campione sul microscopio e ho ruotato la mia polarizzazione da sinistra a destra. Ero tipo, "Si accendono e si spengono?" Non dovrebbe succedere".

Lei e il co-autore Kyle Smith, un recente alunno di Rice, hanno dovuto andare in profondità per capire perché hanno visto questa "modulazione gigante".

All'inizio, sapevano che illuminare la luce polarizzata con un angolo particolare sulla superficie del loro campione di nanoparticelle d'oro attaccate a un substrato di vetro avrebbe creato un campo evanescente, un'onda elettromagnetica oscillante che cavalca la superficie del vetro e intrappola la luce come specchi paralleli, un effetto noto come riflessione interna totale.

Sapevano anche che la luce polarizzata circolarmente è composta da onde trasversali. Le onde trasversali sono perpendicolari alla direzione in cui si muove la luce e possono essere utilizzate per controllare l'emissione plasmonica visibile della particella. Ma quando la luce è confinata, si verificano anche onde longitudinali. Dove le onde trasversali si muovono su e giù e da un lato all'altro, le onde longitudinali assomigliano a blob che vengono pompati attraverso un tubo (come illustrato scuotendo uno Slinky).

Hanno scoperto che la risposta plasmonica delle nanoparticelle d'oro a forma di C dipende dalle interazioni fuori fase tra le onde trasversali e longitudinali nel campo evanescente.

Per la girandola, i ricercatori hanno scoperto che potevano cambiare l'intensità dell'emissione luminosa fino al 50 percento semplicemente cambiando la manualità dell'ingresso della luce polarizzata circolarmente, cambiando così la fase relativa tra le onde trasversali e longitudinali.

Quando hanno suddiviso l'esperimento in singoli, Nanoparticelle d'oro a forma di C, hanno scoperto che la forma era importante per l'effetto. Cambiando la manualità dell'input polarizzato, le particelle si accendevano e si spegnevano quasi completamente.

Le simulazioni dell'effetto effettuate dal fisico della Rice Peter Nordlander e dal suo team hanno confermato la spiegazione di ciò che i ricercatori hanno osservato.

"Sapevamo di avere un campo evanescente e sapevamo che avrebbe potuto fare qualcosa di diverso, ma non sapevamo esattamente cosa, " ha detto McCarthy. "Questo non ci è stato chiaro fino a quando non abbiamo fatto le simulazioni, dicendoci cosa era effettivamente eccitante la luce nelle particelle, e vedere che in realtà corrisponde a come appare il campo evanescente.

"Ci ha portato alla realizzazione che questo non può essere spiegato da come funziona normalmente la luce, " ha detto. "Abbiamo dovuto adattare la nostra comprensione di come la luce può interagire con questo tipo di strutture".

La forma della nanoparticella innesca l'orientamento di tre dipoli (concentrazioni di carica positiva e negativa) sulle particelle, disse McCarthy.

"Il fatto che il semianello abbia un raggio di curvatura di 100 nanometri significa che l'intera struttura occupa mezza lunghezza d'onda della luce, " ha detto. "Pensiamo che sia importante per eccitare i dipoli in questo particolare orientamento".

Le simulazioni hanno mostrato che l'inversione della manualità della luce polarizzata incidente e il lancio sfasato delle onde hanno invertito la direzione del dipolo centrale, riducendo drasticamente la capacità del semianello di disperdere la luce sotto la mano di un incidente. La polarizzazione del campo evanescente spiega poi l'effetto di accensione e spegnimento quasi completo delle strutture a forma di C.

"Interessante, in un certo senso abbiamo chiuso il cerchio con questo lavoro, " Link ha detto. "Le superfici metalliche piatte supportano anche i plasmoni di superficie come le nanoparticelle, ma possono essere eccitati solo con onde evanescenti e non si disperdono nel campo lontano. Qui abbiamo scoperto che l'eccitazione di nanoparticelle di forma specifica usando onde evanescenti produce plasmoni con proprietà di dispersione che sono diverse da quelle eccitate con la luce dello spazio libero".