Un modello degli scienziati della Rice University mostra come due sfere cariche positivamente attaccate a delle molle siano attratte dal campo elettrico della luce. A causa del moto delle sfere, il sistema a molla diffonde la luce a diverse energie quando irradiato con onde trocoidali in senso orario e antiorario. Credito:Link Research Group/Rice University
Uno scienziato potrebbe voler fare la ruota di carro dopo aver fatto una scoperta, ma questa volta la scoperta stessa si basa su ruote di carro.
I ricercatori della Rice University hanno scoperto dettagli su un nuovo tipo di interazione luce-materia polarizzata con la luce che letteralmente si capovolge mentre si propaga da una fonte. La loro scoperta potrebbe aiutare a studiare molecole come quelle nelle antenne di raccolta della luce che si prevede abbiano una sensibilità unica al fenomeno.
I ricercatori hanno osservato l'effetto che chiamano dicroismo trocoidale nella luce diffusa da due diffusori dipolo accoppiati, in questo caso una coppia di nanobarre metalliche plasmoniche ravvicinate, quando erano eccitati dalla luce che girava.
La polarizzazione della luce utilizzata dai ricercatori è fondamentalmente diversa dalla polarizzazione lineare che fa funzionare gli occhiali da sole e dalla luce polarizzata circolarmente simile a un cavatappi utilizzata nel dicroismo circolare per studiare la conformazione delle proteine e di altre piccole molecole.
Invece di assumere una forma elicoidale, il campo di luce è piatto mentre ruota, ruotando in senso orario o antiorario, lontano dalla fonte come un hula hoop che rotola. Questo tipo di polarizzazione della luce, chiamata polarizzazione trocoidale, è stato osservato in precedenza, ha detto la studentessa laureata alla Rice e autrice principale Lauren McCarthy, ma nessuno sapeva che le nanoparticelle plasmoniche potevano essere usate per vedere come rotolava.
"Ora sappiamo come le polarizzazioni trocoidali si riferiscono alle interazioni luce-materia esistenti, " ha detto. "C'è una differenza tra la comprensione della luce e le sue proprietà fisiche e la comprensione dell'influenza della luce sulla materia. L'interazione differenziale con la materia, in base alla geometria del materiale, è il nuovo pezzo qui."
La scoperta da parte del laboratorio Rice del chimico Stephan Link è dettagliata nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .
La studentessa laureata alla Rice University, Lauren McCarthy, ha guidato uno sforzo che ha scoperto i dettagli su un nuovo tipo di interazione della materia della luce polarizzata con la luce che letteralmente si capovolge mentre si propaga da una fonte. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
I ricercatori non stavano cercando specificamente il dicroismo trocoidale. Stavano generando un campo evanescente in una tecnica che hanno sviluppato per studiare le nanoparticelle d'oro chirali per vedere come spazialmente confinati, la luce polarizzata circolarmente a sinistra e a destra interagiva con la materia. Le interazioni di luce polarizzata circolarmente a propagazione libera sono fondamentali per diverse tecnologie, inclusi occhiali 3-D realizzati con materiali che discriminano tra polarizzazioni luminose opposte, ma non sono così ben compresi quando la luce è confinata in piccoli spazi alle interfacce.
Invece della luce polarizzata circolarmente usata prima, gli autori hanno modificato la polarizzazione della luce incidente utilizzata per generare un campo evanescente con onde a ruota libera. I ricercatori hanno scoperto che le polarizzazioni trocoidali in senso orario e antiorario interagivano in modo diverso con coppie di nanobarre plasmoniche orientate a 90 gradi l'una dall'altra. Nello specifico, le lunghezze d'onda della luce le coppie di nanorod disperse cambiavano quando la polarizzazione trocoidale cambiava da oraria ad antioraria, che è una caratteristica del dicroismo.
"Le onde trocoidali sono state discusse, e diversi gruppi hanno sondato le loro proprietà e applicazioni, " ha detto McCarthy. "Tuttavia, per quanto ne sappiamo, nessuno ha osservato che la geometria di un materiale può consentire interazioni differenziali con onde trocoidali in senso antiorario o orario".
Le molecole interagiscono con la luce attraverso i loro dipoli elettrici e magnetici. I ricercatori hanno notato che le molecole con dipoli elettrici e magnetici perpendicolari tra loro, come con le nanoparticelle a 90 gradi, hanno un movimento di carica che ruota nel piano quando eccitato. Il dicroismo trocoidale potrebbe essere utilizzato per determinare la direzione di questa rotazione, che rivelerebbe l'orientamento molecolare.
Emozionanti dimeri di nanorod d'oro autoassemblati hanno anche rivelato sottili effetti di dicroismo trocoidale, mostrare il fenomeno non si limita a nanoparticelle rigorosamente fabbricate disposte a 90 gradi.
"Avendo lavorato a lungo con la luce polarizzata che interagisce con le nanostrutture plasmoniche, l'attuale scoperta è certamente speciale in diversi modi, " ha detto Link. "Trovare una nuova forma di interazione materia luce polarizzata è eccitante di per sé. Altrettanto gratificante è stato il processo della scoperta, anche se, come Lauren e il mio ex studente, Kyle Smith, mi ha spinto a tenere il passo con i loro risultati. Alla fine è stato un vero lavoro di squadra da parte di tutti i coautori di cui sono molto orgoglioso".
