Schemi schematici di due configurazioni per il controllo coerente nel piano delle risonanze plasmoniche. un interferometro a guida d'onda in fibra. b Microscopio confocale a campo scuro (DF), dove l'illuminazione di un quarto può essere soddisfatta bloccando 3/4 dell'area dell'apertura anulare. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1
La luce incidente sulle nanoparticelle metalliche può avviare il movimento collettivo degli elettroni, provocando una forte amplificazione del campo elettromagnetico locale. Tali risonanze plasmoniche hanno ruoli significativi nel biosensore con la capacità di migliorare la risoluzione e la sensibilità richieste per rilevare le particelle alla scala della singola molecola. Il controllo delle risonanze plasmoniche nei metadispositivi ha potenziali applicazioni in tutto-ottico, modulazione del segnale luce con luce ed elaborazione delle immagini. I rapporti hanno dimostrato il controllo coerente fuori dal piano delle risonanze plasmoniche modulando i metadispositivi nelle onde stazionarie. Nei dispositivi ottici, la luce può essere trasferita lungo le superfici per il controllo senza precedenti dei plasmoni. Quando le oscillazioni degli elettroni conduttori sono accoppiate con fotoni di luce, le risonanze plasmoniche di superficie localizzate (LSPR) possono fungere da vettori di informazioni per sensori ottici di dimensioni nanometriche e nei computer.
In un recente studio, Liyong Jiang e colleghi della Nanjing University of Science and Technology hanno dimostrato due metodi per l'illuminazione nel piano di LSPR come prova di principio nei nanodischi d'oro. I risultati del loro lavoro hanno mostrato che gli LSPR potevano essere commutati in stati diversi regolando la luce incidente per codificare i dati logici in catene in un modo che finora non era possibile con l'illuminazione fuori piano. I risultati sono ora pubblicati in Luce:scienza e applicazioni .
Sforzi significativi nell'ultimo decennio sono stati dedicati allo studio delle interazioni luce-materia su scala nanometrica nei sistemi plasmonici. La capacità di controllare LSPR ha portato a molte applicazioni pratiche, inclusi esempi pionieristici come:
Controllo coerente nel piano delle risonanze plasmoniche in monomeri di nanodischi d'oro. un, b Spettri di assorbimento normalizzati calcolati di monomeri di nanodischi d'oro con un diametro compreso tra 140 e 200 nm per un'onda piana nel piano polarizzata s proveniente dal lato destro (linea tratteggiata) o da entrambi i lati (linea continua) senza ritardo di fase, o con un ritardo di fase di . "F" e "H" rappresentano risonanze plasmoniche fondamentali e di ordine superiore. c–e Le corrispondenti distribuzioni spaziali dell'ampiezza del campo elettrico |E|, parte reale Re(Ez), e parte immaginaria Im(Ez) per le modalità "F" e "H" (segni quadrati e circolari) del monomero rappresentativo del nanodisco d'oro (D = 160 nm) sotto illuminazione asimmetrica e simmetrica nel piano. Sotto illuminazione simmetrica nel piano, possiamo osservare interferenze distruttive/costruttive dipendenti dal ritardo di fase per i modi “F” e “H”. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1
Durante le prime fasi di sviluppo, gli scienziati si sono concentrati sul controllo dell'LSPR progettando configurazioni delle nanostrutture plasmoniche. Hanno compreso l'LSPR dipendente dalle dimensioni e dalla forma di singole nanoparticelle plasmoniche e sistemi plasmonici accoppiati basati sulla teoria classica di Mie e modelli di ibridazione plasmonici ben consolidati. Inoltre, il raggio di luce illuminava tipicamente la superficie del campione da una direzione negli studi ottici convenzionali di nanoantenne singole e accoppiate.
Sebbene la capacità di controllare le risonanze plasmoniche tramite l'illuminazione fuori piano abbia aperto un nuovo percorso per modulare i segnali, il processo ha mostrato dei limiti. Di conseguenza, Jiang et al. riportato sul controllo coerente nel piano delle risonanze plasmoniche in tipiche nanoantenne metalliche. Gli scienziati hanno fornito una dimostrazione di principio di commutazione plasmonica e applicazioni di codifica per nanodischi d'oro singoli e accoppiati.
Per ottenere un controllo coerente nel piano delle risonanze plasmoniche in laboratorio, gli scienziati hanno proposto due possibili configurazioni sperimentali. Uno era basato su un interferometro a guida d'onda in fibra, che ha dovuto affrontare sfide durante gli esperimenti. In confronto, il secondo metodo includeva un più conveniente, configurazione di microscopia confocale in campo scuro ampiamente utilizzata. In questo, la condizione di illuminazione completamente simmetrica nel piano potrebbe essere soddisfatta in anticipo quando la luce in ingresso si è focalizzata sul centro del campione. Per costruire un'illuminazione asimmetrica nel piano, gli scienziati hanno bloccato tre quarti dell'area dell'apertura anulare. Jiang et al. hanno mostrato che la configurazione era adatta per studiare nanostrutture plasmoniche con dimensioni paragonabili alla dimensione del punto focalizzato del raggio di luce incidente.
Dimostrazione della regola di distribuzione del campo elettrico per il monomero e il dimero del nanodisco d'oro a 200 nm mediante s-SNOM. a Schema della misurazione s-SNOM per le configurazioni eccitazione-raccolta s–s e s–p. La lunghezza d'onda del laser di eccitazione è di 633 nm e l'angolo di incidenza rispetto al piano del substrato è di 30°. b Spettri di assorbimento normalizzati calcolati di monomero e dimero a nanodisco d'oro da 200 nm con angolo di incidenza di 30° sotto illuminazione asimmetrica (linea tratteggiata) o simmetrica (linea continua) senza ritardo di fase. La dimensione del gap nel dimero è 30 nm. c Immagini microscopiche a forza atomica (AFM) di monomeri e dimeri di nanodischi d'oro per misurazioni s-s e s-p. La freccia rossa rappresenta la direzione di incidenza del laser e la linea tratteggiata blu rappresenta l'asse centrale del nanodisco. D, e Distribuzioni spaziali sperimentali e simulate dell'ampiezza |A|, fase , e parte reale del componente del campo elettrico Ey nella misurazione s–s ed Ez nella misurazione s–p per monomero e dimero di nanodisco d'oro da 200 nm. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1
Per ingegnerizzare i campioni di nanodisco d'oro su biossido di silicio/silice (SiO 2 /Si) substrati, Jiang et al. ha utilizzato la litografia a fascio di elettroni (EBL) insieme a un processo di sollevamento. Hanno completato il processo di fabbricazione rivestendo la superficie del substrato con una pellicola d'oro e uno strato di adesione di cromo (Cr) sottostante mediante evaporazione a fascio di elettroni. Gli scienziati hanno quindi studiato il controllo coerente nel piano delle risonanze plasmoniche nei nanodischi d'oro e hanno calcolato gli spettri di assorbimento dei monomeri di nanodischi d'oro che vanno da diametri da 140 a 200 nm; fabbricato su SiO 2 /Si superficie del substrato.
Nel lavoro, hanno stabilito e verificato sperimentalmente la regola di distribuzione dei componenti del campo elettrico per realizzare risonanze plasmoniche distruttive e costruttive in una nanostruttura plasmonica assialsimmetrica. Hanno mostrato come il controllo coerente nel piano delle risonanze plasmoniche si basasse fortemente sulla configurazione e sulla simmetria delle nanostrutture plasmoniche, rispetto al controllo coerente fuori dal piano. Questa caratteristica può consentire la libertà di personalizzare e progettare risonanze plasmoniche multiple in altre strutture plasmoniche assialsimmetriche, che includono nanosfere, nanotubi, nano bowtie e polimeri nanostrutturali.
Dimostrazione della commutazione plasmonica mediante misurazione dello scattering in campo oscuro (DF) di monomeri e dimeri di nanodischi d'oro. a Spettri di diffusione DF normalizzati di monomero a nanodisco d'oro con un diametro di 200 nm (immagine SEM) sotto illuminazione completa e un quarto. b I corrispondenti spettri di diffusione e assorbimento simulati normalizzati. C, d Spettri di diffusione DF misurati e simulati normalizzati di dimero di nanodisco d'oro con un diametro di 200 nm e una dimensione del gap di 30 nm (immagine SEM) con illuminazione completa e un quarto. Le curve solide rosse in c sono i risultati del livellamento. La barra della scala nelle immagini SEM è 200 nm. e, f Diagrammi di polarizzazione dell'illuminazione completa e di un quarto nella misurazione e simulazione dello scattering DF per monomeri e dimeri di nanodischi d'oro. Sia nell'esperimento che nella simulazione, l'eccitazione è s o p-polarizzata e la raccolta non è polarizzata. Le frecce a doppia punta nera e rossa rappresentano la polarizzazione iniziale e la polarizzazione dopo la messa a fuoco, rispettivamente. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1
Per visualizzare le modalità di risonanza plasmonica nei nanodischi d'oro gli scienziati hanno utilizzato una tecnica s-SNOM sensibile alla polarizzazione, che può rilevare la luce nelle regioni su scala nanometrica direttamente sotto la punta della sonda microscopica a forza atomica (AFM). Gli scienziati hanno utilizzato uno schema geometrico s-s/s-p e hanno utilizzato una punta dielettrica (Si) per le misurazioni. Hanno illuminato il campione utilizzando radiazioni laser con una luce incidente di 30 0 rispetto al piano del substrato. Jiang et al. misurato l'ampiezza e la fase del segnale sparso in base alla quarta armonica della frequenza tip-tapping della punta AFM. Hanno usato un analizzatore davanti al rivelatore per selezionare la componente s o p- polarizzata della luce diffusa.
Dimostrazione della commutazione plasmonica mediante misurazione dello scattering in campo oscuro (DF) di monomeri e dimeri di nanodischi d'oro. a Spettri di diffusione DF normalizzati di monomero a nanodisco d'oro con un diametro di 200 nm (immagine SEM) sotto illuminazione completa e un quarto. b I corrispondenti spettri di diffusione e assorbimento simulati normalizzati. C, d Spettri di scattering DF normalizzati misurati e simulati di dimero di nanodisco d'oro con un diametro di 200 nm e una dimensione del gap di 30 nm (immagine SEM) con illuminazione completa e un quarto. Le curve solide rosse in c sono i risultati del livellamento. La barra della scala nelle immagini SEM è 200 nm. e, f Diagrammi di polarizzazione dell'illuminazione completa e di un quarto nella misurazione e simulazione dello scattering DF per monomeri e dimeri di nanodischi d'oro. Sia nell'esperimento che nella simulazione, l'eccitazione è s o p-polarizzata e la raccolta non è polarizzata. Le frecce a doppia punta nera e rossa rappresentano la polarizzazione iniziale e la polarizzazione dopo la messa a fuoco, rispettivamente. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1
Jiang et al. ha anche dimostrato la commutazione plasmonica con misurazioni della diffusione del campo oscuro (DF) di un monomero o dimero di nanodisco d'oro. Nella configurazione sperimentale hanno utilizzato un sistema di microscopia Raman confocale per misurare gli spettri di dispersione. Hanno quindi utilizzato pacchetti software disponibili in commercio per condurre simulazioni numeriche nello studio. Le simulazioni includevano distribuzioni del campo elettrico, spettri di assorbimento e diffusione per nanodischi d'oro. Hanno simulato i complessi parametri elettromagnetici per oro e cromo incorporati nel setup sperimentale, sulla base di precedenti pubblicazioni.
Codifica plasmonica in catene di nanodischi d'oro. a Spettri di assorbimento calcolati di catene di nanodischi d'oro costituiti da un numero diverso di nanodischi illuminati dall'onda planare nel piano polarizzata s proveniente dal lato destro (linea tratteggiata) o da entrambi i lati (linea continua). Il diametro del nanodisco è 140 nm e la distanza di separazione è 30 nm. Le risonanze plasmoniche distruttive e costruttive sono rappresentate dai colori verde e rosso, rispettivamente. b Distribuzioni spaziali dell'ampiezza del campo elettrico |E| per le risonanze plasmoniche “F” (posizione di picco) sotto illuminazione simmetrica. c Distribuzioni dell'ampiezza del campo elettrico a fette lungo il bordo della catena (la linea tratteggiata bianca in b). d–g Distribuzioni spaziali corrispondenti della parte reale e immaginaria di Ez quando l'onda planare nel piano polarizzata s proviene dal lato sinistro (d, f) e lato destro (e, g) rispettivamente. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1
In questo modo, Jiang et al. hanno dimostrato la commutazione e la codifica plasmoniche proof-of-principle nello studio. Si aspettano più potenziali applicazioni basate sulla capacità dimostrata per il controllo coerente nel piano della risonanza plasmonica. Ad esempio, gli scienziati possono utilizzare il metodo per studiare spettri selettivi con superficie potenziata, dove la fotoluminescenza o il segnale Raman di più molecole può essere selettivamente potenziato. Ciò consentirà il controllo dello stato on/off di più risonanze plasmoniche in una comune nano-antenna. Gli scienziati propongono di estendere lo schema di codifica plasmonica dimostrato nello studio all'imaging plasmonico, nanolaser e comunicazione ottica nei nanocircuiti. Ad esempio, gli scienziati possono combinare catene di nanostrutture plasmoniche con diverse caratteristiche di codifica per costruire porte logiche (per operazioni logiche booleane) e progettare guide d'onda multicanale per l'archiviazione e i processi di informazioni completamente ottiche.
© 2019 Science X Network
