Per secoli, gli artisti mescolavano polvere d'argento e d'oro con il vetro per fabbricare finestre colorate per decorare gli edifici. I risultati sono stati impressionanti, ma non avevano una ragione scientifica per come questi ingredienti insieme creassero il vetro colorato. All'inizio del XX secolo, il fisico Gustav Mie ha scoperto che il colore di una nanoparticella metallica è correlato alle sue dimensioni e alle proprietà ottiche del metallo e dei materiali adiacenti.

I ricercatori hanno scoperto solo di recente il pezzo mancante di questo puzzle. I vetrai medievali sarebbero sorpresi di scoprire che stavano sfruttando ciò che gli scienziati oggi chiamano plasmonica:un nuovo campo basato sulle oscillazioni degli elettroni chiamati plasmoni.

Concentrare la luce

La plasmonica dimostra come la luce può essere guidata lungo le superfici metalliche o all'interno di pellicole metalliche spesse nanometri. Funziona così:a livello atomico, i cristalli metallici hanno una struttura reticolare molto organizzata. Il reticolo contiene elettroni liberi, non strettamente associato con gli atomi di metallo, che interagiscono con la luce che li colpisce.

Questi elettroni liberi iniziano ad oscillare collettivamente rispetto alla posizione fissa dei nuclei carichi positivamente nel reticolo metallico. Come la densità delle molecole d'aria in un'onda sonora, la densità elettronica fluttua nel reticolo metallico come un'onda plasmonica.

Luce visibile, che ha una lunghezza d'onda di circa mezzo micrometro, può quindi essere concentrato di un fattore di quasi 100 per viaggiare attraverso pellicole metalliche di pochi nanometri (nm) di spessore. questo è 1, 000 volte più piccolo di un capello umano. Il nuovo stato misto luce-elettrone-onda consente intense interazioni luce-materia con proprietà ottiche senza precedenti.

Cosa può fare la plasmonica?

La plasmonica potrebbe rivoluzionare il modo in cui i computer o gli smartphone trasferiscono i dati all'interno dei loro circuiti elettronici integrati. Il trasferimento dei dati negli attuali circuiti integrati elettronici avviene tramite il flusso di elettroni in fili metallici. Nella plasmonica, è dovuto al movimento oscillatorio attorno ai nuclei positivi. Il trasferimento dei dati richiede quindi più tempo nella vecchia tecnologia. Poiché il trasferimento dei dati plasmonici avviene con onde simili alla luce e non con un flusso di elettroni (corrente elettrica) come nei fili metallici convenzionali, la trasmissione dei dati sarebbe superveloce (vicina alla velocità della luce) – simile alle attuali tecnologie in fibra di vetro. Ma i film metallici plasmonici sono più di 100 volte più sottili delle fibre di vetro. Questo potrebbe portare a un più veloce, tecnologie dell'informazione più sottili e leggere.

I plasmoni di superficie sono anche eccezionalmente sensibili a qualsiasi materiale vicino al film metallico. Una bassa concentrazione di atomi, molecole o batteri legati alla superficie metallica possono modificare le proprietà dei suoi plasmoni. Questa funzione può essere utilizzata per il rilevamento biologico e chimico a concentrazioni estremamente basse, ad esempio per esaminare l'acqua inquinata.

Se adeguatamente progettato, multistrati di nanostrutture metalliche/isolanti plasmoniche formano metamateriali artificiali, dove la parola greca "meta" significa "oltre". A differenza di qualsiasi altro materiale in natura, questi metamateriali hanno un indice di rifrazione negativo. Questa è una misura di quanta luce cambia direzione quando entra in un isolante trasparente. isolanti, compreso il vetro, avere un indice di rifrazione positivo; piegano la luce che entra ad un certo angolo più vicino alla perpendicolare alla superficie dell'isolante.

In contrasto, i metamateriali multistrato piegano la luce nella direzione "opposta". Questa affascinante proprietà può essere utilizzata per nascondere gli oggetti coprendoli con un involucro di metamateriale. La pellicola guida dolcemente la luce intorno all'oggetto invece di rifletterla. Quasi incredibile, l'oggetto ammantato diventa invisibile.

Altre applicazioni includono superlenti ottici con una risoluzione significativamente maggiore rispetto ai normali microscopi ottici. Potrebbero consentire agli scienziati di vedere oggetti di dimensioni fino a circa 100 nm. È circa un decimo più grande di un tipico germe.

A few proof-of-principle optical cloaks and superlenses do exist. But high resistivity losses in the metal layers which convert the light-electron-wave energy into heat currently limit the feasibility of many applications.

Manufacturing plasmonic nanowires

High resistivity losses are the major issue with plasmonics. Per superare questi limiti, we design and fabricate unique plasmonic metal/organic/semiconductor nanowire heterostructures. Our goal is to excite the semiconductor nanowires with an external light source, then use the internal radiation in the nanowires as an energy-pump source to compensate for metallic losses. Per di qua, the nanowires couple light energy in concert with the light-electron-oscillations to the metal film, thus restoring the amplitude of the damped plasmon wave.

We use the organic molecular beam deposition (OMBD) method to coat the semiconductor nanowires with metal/organic multilayers. In the OMBD chamber, organic and metal materials reside in heatable cylindrical cells. We evaporate both organic molecules and metal atoms in heated cells at ultra-high vacuum (which is hundreds of billion times lower than atmosphere pressure). Then we direct the molecular and atom beams we have produced toward the semiconductor nanowire sample. The thickness of the resulting deposited film on the nanowire is controlled by mechanical shutters at the cell openings.

The energy-transfer processes from the optically excited semiconductor nanowire to the plasmon oscillations in the surrounding metal film are studied with ultrafast spectroscopic techniques.

Results from our studies will provide a new understanding of light-electron-waves in the novel and unique metal-semiconductor environment. Auspicabilmente, we will open new prospects for designing low-loss or loss-free plasmonic devices. Ideally we want to enable new and important applications in information technologies, biological sensing and national defense. We further envision our investigations having a strong impact in other research fields:for instance, by utilizing the biocompatibility of our hybrid organic/metal structures, by enhancing the light emission in light-emitting diodes and laser structures or by improving light harvesting in photovoltaic devices.

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