In uno studio che potrebbe aprire le porte a nuove applicazioni della fotonica, dal rilevamento molecolare alle comunicazioni wireless, Gli scienziati della Rice University hanno scoperto un nuovo metodo per sintonizzare le vibrazioni indotte dalla luce delle nanoparticelle attraverso lievi alterazioni della superficie a cui sono attaccate le particelle.

In uno studio pubblicato online questa settimana in Comunicazioni sulla natura , i ricercatori del Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) hanno utilizzato impulsi laser ultraveloci per indurre gli atomi nei nanodischi d'oro a vibrare. Questi modelli vibrazionali, conosciuti come fononi acustici, hanno una frequenza caratteristica che è direttamente correlata alla dimensione della nanoparticella. I ricercatori hanno scoperto che potevano mettere a punto la risposta acustica della particella variando lo spessore del materiale a cui erano attaccati i nanodischi.

"I nostri risultati puntano verso un metodo semplice per sintonizzare la frequenza fononica acustica di una nanostruttura nell'intervallo dei gigahertz controllando lo spessore del suo strato di adesione, " ha affermato il ricercatore capo Stephan Link, professore associato di chimica e di ingegneria elettrica e informatica.

La luce non ha massa, ma ogni fotone che colpisce un oggetto impartisce una minuscola quantità di movimento meccanico, grazie a un fenomeno noto come pressione di radiazione. Una branca della fisica nota come optomeccanica si è sviluppata negli ultimi dieci anni per studiare e sfruttare la pressione delle radiazioni per applicazioni come il rilevamento delle onde gravitazionali e la generazione di basse temperature.

Link e colleghi della LANP sono specializzati in un altro ramo della scienza chiamato plasmonica, dedicato allo studio delle nanostrutture attivate dalla luce. I plasmoni sono onde di elettroni che scorrono come un fluido su una superficie metallica.

Quando un impulso di luce di una specifica lunghezza d'onda colpisce una particella metallica come i nanodischi d'oro a forma di disco negli esperimenti LANP, l'energia luminosa viene convertita in plasmoni. Questi plasmoni si muovono sulla superficie della particella con una frequenza caratteristica, allo stesso modo in cui ogni fonone ha una frequenza vibrazionale caratteristica.

Il primo autore dello studio, Wei Shun Chang, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Link, e gli studenti laureati Fangfang Wen e Man-Nung Su hanno condotto una serie di esperimenti che hanno rivelato una connessione diretta tra le frequenze di risonanza dei plasmoni e dei fononi in nanodischi che erano stati esposti a impulsi laser.

"Il riscaldamento delle nanostrutture con un breve impulso luminoso lancia fononi acustici che dipendono sensibilmente dalle dimensioni della struttura, " ha detto Link. "Grazie a tecniche litografiche avanzate, gli sperimentali possono progettare nanostrutture plasmoniche con grande precisione. Sulla base dei nostri risultati, sembra che le nanostrutture plasmoniche possano presentare un'interessante alternativa agli oscillatori optomeccanici convenzionali".

Chang ha affermato che gli esperti di plasmonica spesso si affidano a substrati quando utilizzano la litografia a fascio di elettroni per modellare le strutture plasmoniche. Per esempio, i nanodischi d'oro come quelli usati negli esperimenti non si attaccano ai vetrini. Ma se al vetro viene aggiunto un sottile substrato di titanio o cromo, i dischi aderiranno e rimarranno dove sono posizionati.

"Lo strato di substrato influenza le proprietà meccaniche della nanostruttura, ma rimangono molte domande su come lo fa, " Chang ha detto. "I nostri esperimenti hanno esplorato come lo spessore del substrato ha influito su proprietà come l'adesione e la frequenza fononica".

Link ha affermato che la ricerca è stata uno sforzo collaborativo che ha coinvolto gruppi di ricerca presso la Rice e l'Università di Melbourne a Victoria, Australia.

"Wei-Shun e Man-Nung del mio laboratorio hanno eseguito la spettroscopia ultraveloce, " Link ha detto. "Fangfang, chi è nel gruppo di Naomi Halas qui a Rice, fatto i nanodischi. John Sader all'Università di Melbourne, e il suo postdoc Debadi Chakraborty ha calcolato i modi acustici, e Yue Zhang, uno studente laureato alla Rice del gruppo di Peter Nordlander alla Rice ha simulato le proprietà ottiche/plasmoniche. Bo Shuang del gruppo di ricerca delle Landes alla Rice ha contribuito all'analisi dei dati sperimentali".