Progettazione e fabbricazione di nanoaperture elicoidali plasmoniche Janus 3D. (a) Un diagramma schematico della nanoapertura elicoidale plasmonica Janus 3D in due forme enantiomeriche:Forma A e Forma B. I parametri geometrici sono p = 380 nm, r0 = 160 nm, r1 = 110 nm, = 90°, e H = 180 nm. Per il modulo B nella riga inferiore, la profondità della parte della scanalatura del gradiente aumenta lungo la freccia rossa, mentre la parte di apertura è indicata dalla doppia freccia blu. (b) Un'illustrazione del metodo di fresatura del fascio ionico focalizzato in scala di grigi. (c) La profondità di fresatura ottenuta sperimentalmente in funzione della dose di ioni applicata. (d) Distribuzioni della dose di ioni normalizzate e immagini SEM delle nanoaperture elicoidali 3D fabbricate. Le immagini della vista laterale vengono catturate con un angolo visivo di 52° rispetto alla superficie normale. Le frecce tratteggiate rosse indicano la direzione lungo la quale aumenta la profondità della scanalatura. Le barre della scala sono 200, 100, e 100 nm da sinistra a destra. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0156-8
Le nanostrutture plasmoniche elicoidali hanno attirato una notevole attenzione nella scienza dei materiali e nella chimica a causa della loro intrinseca chiralità ottica. In un nuovo rapporto, Yang Chen e un team di ricerca nel dipartimento di ingegneria meccanica e aerospaziale negli Stati Uniti hanno sviluppato nanoaperture elicoidali plasmoniche (fori elicoidali) uniche 3-D Janus (nanoparticelle con due o più proprietà di superficie), con sensibilità di polarizzazione controllata dalla direzione. Hanno progettato le strutture elicoidali utilizzando la fresatura a fascio ionico focalizzato in scala di grigi in un unico passaggio (FIB). Chen et al. quindi ha codificato la metasuperficie di Janus con due enantiomeri di nanoapertura (molecole di immagine speculare di sinistra e di destra l'una dell'altra) con angoli di rotazione specifici per dimostrare per la prima volta la crittografia dei dati di polarizzazione controllata dalla direzione.
I campioni ingegnerizzati nel lavoro hanno permesso la trasmissione selettiva di alcuni tipi di luce polarizzata, mentre blocca gli altri. Questa sensibilità alla polarizzazione dipendeva dalla direzione della luce in arrivo; ad esempio, la luce in una direzione specifica ha spinto gli array a produrre immagini binarie, mentre la luce nella direzione opposta potrebbe riprodurre fotografie in scala di grigi. Chen et al. immaginare di utilizzare le nanoaperture elicoidali Janus proposte per una varietà di applicazioni che vanno dal controllo della polarizzazione all'interno di dispositivi fotonici integrati, rilevamento avanzato dell'enantiomero, crittografia e decrittografia dei dati nonché elaborazione ottica delle informazioni. I nuovi risultati sono ora pubblicati in Luce:scienza e applicazioni .
La chiralità fu definita per la prima volta da Lord Kelvin per descrivere qualsiasi figura geometrica la cui immagine speculare non potesse coincidere con se stessa. La proprietà è onnipresente negli oggetti biologici che vanno da piccole biomolecole come amminoacidi e nucleotidi a macromolecole più grandi come proteine e acidi nucleici, e anche le nostre mani e i nostri piedi. Mentre le versioni sinistrorse e destrorse di una molecola nota come enantiomeri possono avere proprietà chimiche e fisiche simili, possono svolgere funzioni biologiche completamente diverse in diversi campi di applicazione.
Progettazione e fabbricazione di nanoaperture elicoidali plasmoniche Janus 3D. Distribuzioni normalizzate della dose di ioni e immagini SEM delle nanoaperture elicoidali 3D fabbricate degli enantiomeri della forma A e della forma B. Le immagini della vista laterale vengono catturate con un angolo visivo di 52° rispetto alla superficie normale. Le frecce tratteggiate rosse indicano la direzione lungo la quale aumenta la profondità della scanalatura. Le barre della scala sono 200, 100, e 100 nm da sinistra a destra. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0156-8 
Gli scienziati dei materiali hanno precedentemente utilizzato la scrittura laser diretta a due fotoni seguita da una fase di galvanica per produrre un'elica plasmonica 3D, che aveva limiti di risoluzione spaziale alla microscala durante le applicazioni nello spettro visibile e nel vicino IR. Allo stesso modo, la deposizione focalizzata indotta da fasci di elettroni/ioni potrebbe ridimensionare la struttura elicoidale alla nanostruttura, ma il metodo mancava di velocità per la produzione su larga scala. Come conseguenza, strutture di litografia con allineamento ad alta risoluzione e operazioni delicate sono attualmente necessarie per fabbricare in modo conveniente e rapido nanostrutture elicoidali plasmoniche con segnali CD giganti.
Proprietà ottiche della nanoapertura elicoidale plasmonica Janus 3D nella direzione in avanti. (a) Spettri di trasmissione simulati e (b) misurati dell'array di nanoaperture elicoidali nel modulo A per varie combinazioni di manualità incidente/uscita nella direzione in avanti, insieme ai corrispondenti spettri CDTF. (c) L'intensità di trasmissione misurata in funzione dell'angolo azimutale α della luce incidente LP a 830 nm. (d) Spettri di riflessione simulati e (e) misurati e spettri di assorbimento sotto incidenza RCP (polarizzato circolarmente destrorso) e LCP (polarizzato circolarmente sinistrorso) nella direzione in avanti. (f) Illustrazioni dei processi di accoppiamento in modalità spin-dipendente all'interno delle nanoaperture elicoidali 3D in Forma A e Forma B, che possono essere considerati come serie di segmenti di guida d'onda in cascata (WG n-1, WG n, WG n + 1, ..). Le distribuzioni di modo circolarmente dicroiche sono presentate all'interno del segmento di guida d'onda WG n a 812 nm. (g) Distribuzioni del campo elettrico 6 nm sopra il piano di uscita della nanoapertura elicoidale nella forma A sotto RCP e incidenza LCP a 812 nm. h Distribuzioni del flusso di potenza ottica all'interno della nanoapertura elicoidale in Forma A sotto incidenza RCP e LCP a 812 nm. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0156-8
Nel presente lavoro, Chen et al. hanno inciso le nanoaperture elicoidali plasmoniche 3-D Janus su un singolo, film d'oro otticamente spesso con un'apertura a forma di arco e una scanalatura a gradiente a forma di arco collegati da un'estremità all'altra. In base alla profondità della scanalatura del gradiente, che è stato aumentato in senso orario o antiorario, le nanoaperture elicoidali chirali esistevano in due forme enantiomeriche come versioni "A' e "B' che erano simmetriche speculari tra loro. Gli scienziati hanno applicato una dose elevata di Ga + ioni durante il processo di fresatura del fascio ionico focalizzato e regolato delicatamente la messa a fuoco e l'astigmatismo del fascio ionico per formare gli array di nanoaperture elicoidali 3-D con uniformità soddisfacente.
Hanno quindi studiato le proprietà chiroottiche delle nanoaperture elicoidali plasmoniche 3-D nella direzione in avanti, quando la luce polarizzata circolarmente (CPL) è stata illuminata sulla superficie dell'oro e trasmessa dal substrato di silice all'interno del setup sperimentale. La simulazione numerica condotta con COMSOL Multiphysics e i risultati sperimentali dello studio hanno coinciso tra loro, e Chen et al. attribuito eventuali discrepanze sperimentali alle imperfezioni di fabbricazione nel sistema FIB.
Archiviazione dei dati crittografata con polarizzazione controllata dalla direzione con la metasuperficie Janus. (a) Un diagramma schematico della metasuperficie Janus per l'archiviazione dei dati crittografati con polarizzazione controllata dalla direzione. (Fotografia utilizzata con autorizzazione:Niels Henrik David Bohr (1885–1962) fisico danese. Teoria quantistica. Premio Nobel per la fisica 1922/Universal History Archive/UIG/Bridgeman Images.) (b) Un'illustrazione del processo di codifica della metasuperficie con i due enantiomeri di nanoapertura aventi angoli di rotazione specificati. (c) L'intensità di trasmissione normalizzata della luce LP nella direzione all'indietro, che segue la legge di Malus rispetto all'angolo tra la direzione di polarizzazione incidente e l'asse di trasmissione della nanoapertura elicoidale 3D. (d) Immagini di trasmissione catturate della metasuperficie Janus a 800 nm in entrambe le direzioni avanti e indietro per varie polarizzazioni incidenti. Barra della scala:10μm. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0156-8
Gli scienziati hanno modellato le nanoaperture elicoidali 3D come una serie di segmenti di guida d'onda a forma di arco in cascata per ottenere la chiralità ottica prevista. Se la manualità della CPL (luce polarizzata circolarmente) corrispondeva a quella del solco del gradiente, la potenza ottica in entrata potrebbe essere raccolta nell'area di apertura lungo la scanalatura del gradiente per produrre una forte trasmissione nell'apparato sperimentale.
Chen et al. quindi determinato le proprietà ottiche della nanoapertura elicoidale plasmonica 3-D Janus nella direzione all'indietro. Per questo, hanno illuminato la luce nel substrato di silice per trasmetterla dalla superficie dell'oro per ottenere un'intensità quasi simile nella direzione all'indietro, i risultati hanno mostrato dicroismo lineare gigante (non dicroismo circolare) con luce polarizzata circolarmente.
Prestazioni a banda larga della metasuperficie Janus. Le immagini vengono catturate in condizioni di illuminazione adeguate di direzione e polarizzazione a 690, 745, 800, 845, e 890 nm. Barra della scala:10μm. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0156-8
Sulla base di questi risultati, Chen et al. codificato la metasuperficie Janus per costruire un'immagine di codice binario QR (risposta rapida) nella direzione in avanti sotto illuminazione polarizzata circolarmente (RCP) destrorsa. Nella seconda fase, hanno codificato un'immagine in scala di grigi nella direzione all'indietro sotto luce polarizzata linearmente. Sono stati in grado di codificare le informazioni sulla stessa metasuperficie Janus senza disturbi reciproci e rivelare l'immagine del codice QR illuminando solo la luce della mano destra nella direzione in avanti per decifrare e connettersi a un messaggio codificato che collega il sito Wikipedia del fisico Niels Bohr. Chen et al. testato le prestazioni della banda larga della metasuperficie Janus per distinguere l'immagine del codice QR utilizzando uno scanner di codici QR a 690 nm, fino a 890 nm.
In questo modo, Chen et al. ha introdotto un nuovo tipo di nanoapertura plasmonica Janus 3-D che utilizza la sensibilità di polarizzazione a commutazione di direzione. Hanno fabbricato il dispositivo utilizzando la fresatura FIB in scala di grigi in un unico passaggio. Le proprietà ottiche uniche delle nanoaperture elicoidali 3D hanno permesso loro di crittografare e decrittografare i dati utilizzando la polarizzazione della luce controllata dalla direzione. Il lavoro avrà ulteriori, applicazioni di nuova generazione come polarizzatori multifunzionali, display ad alta risoluzione e nell'elaborazione ottica delle informazioni.
© 2019 Scienza X Rete
