Un'illustrazione di come i metalli, dielettrici, e i dielettrici efficaci rispondono a un campo elettrico che varia lentamente. All'interno di ogni sistema, al campo applicato si contrappone un campo elettrico indotto generato dall'accumulo di cariche superficiali. (a) Nei metalli, gli elettroni sono liberi di muoversi finché i campi applicati e indotti non si annullano nella massa. Nei dielettrici (b) e nei dielettrici effettivi (c), la carica superficiale è generata dalla polarizzazione dei (meta-)atomi o (meta-)molecole, e il campo indotto è più debole del campo applicato. Credito:Comunicazioni sulla natura, doi:10.1038/s41467-019-09939-8
Nella scienza dei materiali, componenti ottici acromatici possono essere progettati con elevata trasparenza e bassa dispersione. Gli scienziati dei materiali hanno dimostrato che, sebbene i metalli siano altamente opachi, array densamente imballati di nanoparticelle metalliche con oltre il 75% di metallo in volume possono diventare più trasparenti alla radiazione infrarossa rispetto a dielettrici come il germanio. Tali array possono formare dielettrici efficaci che sono praticamente privi di dispersione su intervalli di lunghezze d'onda a banda ultra larga per progettare una varietà di dispositivi ottici basati su metamateriali di prossima generazione.
Gli scienziati possono sintonizzare gli indici di rifrazione locali di tali materiali alterando le dimensioni, forma e spaziatura delle nanoparticelle per progettare lenti con indice di gradiente che guidano e focalizzano la luce sulla microscala. Il campo elettrico può essere fortemente concentrato negli spazi tra le nanoparticelle metalliche per la simultanea focalizzazione e "spremitura" del campo dielettrico per produrre forti, hotspot doppiamente migliorati. Gli scienziati possono utilizzare questi hotspot per potenziare le misurazioni effettuate utilizzando la spettroscopia a infrarossi e altri processi non lineari in un'ampia gamma di frequenze.
In un recente studio ora pubblicato in Comunicazioni sulla natura , Samuel J. Palmer e un gruppo di ricerca interdisciplinare nei dipartimenti di Fisica, Matematica e nanotecnologia nel Regno Unito, Spagna e Germania, hanno mostrato che i dielettrici artificiali possono rimanere altamente trasparenti alla radiazione infrarossa e hanno osservato questo risultato anche quando le particelle erano nanoscopiche. Hanno dimostrato che il campo elettrico penetra nelle particelle (rendendole imperfette per la conduzione) affinché si verifichino forti interazioni tra di loro in una disposizione compatta. I risultati consentiranno agli scienziati dei materiali di progettare componenti ottici acromatici per applicazioni nella regione della lunghezza d'onda del medio-infrarosso.
Palmer e colleghi sono stati in grado di regolare l'indice di rifrazione locale di questi componenti alterando le dimensioni, forma e spaziatura delle nanoparticelle con sensibilità all'indice di rifrazione locale dell'ambiente circostante. Gli scienziati hanno potenziato il campo elettrico negli spazi tra le nanoparticelle metalliche nell'array e contemporaneamente hanno sfruttato la loro trasparenza, sintonizzabilità e alta frazione di riempimento metallico per progettare una lente con indice di sfumatura. Il lavoro ha focalizzato la luce sulla microscala e ha spremuto il campo elettrico nella nanoscala per produrre l'hotspot del campo elettrico doppiamente potenziato in tutta la regione dell'infrarosso (IR). Gli scienziati prevedono che il nuovo lavoro aumenterà le misurazioni effettuate utilizzando la spettroscopia IR e altri processi non lineari su un'ampia gamma di frequenze.
Permettività effettiva di array di nanoparticelle metalliche. (a) La permittività effettiva di una serie di nanocilindri di titanio (con diametro d = 38 nm e separazione superficie-superficie G = 2 nm) per la luce polarizzata TE (curva rossa) e TM (curva blu) rispetto alla permittività di titanio solido (curva tratteggiata). (b) L'effettiva permittività delle nanosfere di titanio, (d = 20 nm, G = 2 nm) per luce non polarizzata. (c) La lunghezza di penetrazione effettiva degli array di nanoparticelle può superare quella dei dielettrici reali, come il germanio, anche per frazioni di riempimento metalliche fino al 75%. Credito:Comunicazioni sulla natura, doi:10.1038/s41467-019-09939-8
Gli scienziati dei materiali sono attualmente in grado di sviluppare materiali nuovi e avanzati; però, nessun nuovo materiale è veramente omogeneo nella sua costituzione. Tuttavia, la maggior parte dei materiali può essere caratterizzata utilizzando proprietà microscopiche omogenee come indici di rifrazione in cui le disomogeneità atomistiche sono inferiori alle lunghezze d'onda medie della luce ottica incidente sul materiale. I materiali costruiti artificialmente noti come metamateriali sono descritti da un indice efficace quando il materiale contiene una struttura a lunghezza d'onda sufficientemente ridotta. I primi metamateriali includevano dielettrici artificiali composti da matrici su scala centimetrica di particelle metalliche in grado di guidare e focalizzare le onde radio come un dielettrico. Le particelle metalliche dei primi materiali dielettrici artificiali erano così grandi che si comportavano come conduttori perfetti con un'elevata trasparenza alle onde radio. La ricerca recente nella scienza dei materiali mira a costruire dielettrici efficaci per lo spettro visibile e infrarosso utilizzando array di particelle metalliche su nanoscala. I progressi nell'assemblaggio di nanoparticelle metalliche possono quindi consentire un'ingegneria sofisticata di interazioni luce-materia senza precedenti nel dominio ottico.
Nel presente lavoro, Palmer et al. ha messo a confronto la trasparenza delle matrici di nanocilindri e delle nanosfere (sebbene le nanoparticelle possano avere altre forme) al germanio per dimostrare che le matrici possono guidare e focalizzare la luce. Gli array di nanocilindri si sono comportati come dielettrici efficaci con luce elettrica polarizzata trasversale; dove una forza trasversale sugli elettroni ha portato a cariche superficiali oscillanti che imitavano i dipoli oscillanti di un atomo in un dielettrico reale.
In contrasto, la risposta dei cilindri alla luce polarizzata magnetica trasversale era simile al metallo sfuso, poiché gli elettroni erano liberi di muoversi sotto l'azione del campo elettrico longitudinale senza incontrare le superfici del cilindro. Gli array di nanosfere nello studio si sono comportati come dielettrici efficaci, indipendentemente dalla polarizzazione incidente, focalizzando gli elettroni in qualsiasi direzione per provocare cariche superficiali che imitano i dipoli oscillanti di un dielettrico. Tali array hanno mostrato un'elevata trasparenza rispetto ai dielettrici reali come il germanio, anche quando il sistema aveva più del 75% di metallo.
Dimostrazioni sperimentali e numeriche di array metallici trasparenti. (a) Immagine al microscopio di un supercristallo colloidale d'oro del diametro di 60 nm depositato su un substrato di Ge. (b) Le particelle metalliche mostrano un'elevata trasparenza all'infrarosso. (c–e) I dielettrici effettivi sono sufficientemente trasparenti da agire come lenti su scala micrometrica alla radiazione infrarossa di lunghezza d'onda λ0 = 2 μm, come mostrato dai campi magnetici vicini. C'è un buon accordo tra (d) la geometria completa dei cilindri in titanio con diametro 38 nm e spazio tra superficie e superficie 2 nm e (e) la geometria omogeneizzata, neff = 3.2 + 0.5i. Credito:Comunicazioni sulla natura, doi:10.1038/s41467-019-09939-8
Per verificare l'accuratezza della teoria proposta, Palmer et al. prodotto un supercristallo colloidale altamente ordinato utilizzando nanoparticelle d'oro di 60 nm di diametro. Hanno depositato il supercristallo su un substrato di germanio e hanno caratterizzato il materiale (proprietà fisiche testate) utilizzando uno spettrofotometro UV-vis-NIR. Gli scienziati hanno osservato un'eccezionale trasparenza dei materiali, dimostrando la fattibilità della produzione sperimentale di metamateriali. Usando campi magnetici vicini, hanno mostrato che i dielettrici effettivi erano abbastanza trasparenti da agire come lenti su scala micrometrica alla radiazione infrarossa. Nonostante contenga l'82% di metallo in volume, gli scienziati hanno osservato che la rottura dell'oro massiccio in una serie di nanocilindri d'oro ha prodotto una lente trasparente in grado di focalizzare la luce, molto simile al comportamento di una lente dielettrica omogenea.
Trasparenza in funzione della profondità della pelle del materiale. (a) L'indice effettivo di una matrice quadrata di nanocilindri, composto da alluminio, oro, d'argento, e titanio. Inserto:la profondità della pelle di ogni metallo, calcolato utilizzando il modello di permittività di Lorentz-Drude. (b) A una lunghezza d'onda fissa, è il rapporto tra il diametro delle particelle e la profondità della pelle del metallo che determina se le particelle si comportano come dipoli quasi statici o conduttori perfetti. L'indice effettivo è notevolmente costante per d ≲ δs. Credito:Comunicazioni sulla natura, doi:10.1038/s41467-019-09939-8
Gli scienziati hanno quindi confrontato diversi tipi di metalli (alluminio, d'argento, oro e titanio) per dimostrare che i materiali con una maggiore profondità della pelle hanno prodotto le matrici di nanoparticelle più trasparenti e meno dispersive. Palmer et al. ha mostrato che a una lunghezza d'onda fissa, il rapporto tra il diametro della particella e la profondità della pelle del metallo determinato se la particella si sarebbe comportata come dipoli quasiparticellari o come conduttori perfetti.
Oltre all'elevata trasparenza, gli scienziati potrebbero mettere a punto il sistema controllando le dimensioni, forma e spazio delle particelle. Ad esempio, Palmer et al. controllato il rapporto di aspetto delle matrici di cilindri ellittici per mostrare che la risposta anisotropa del materiale potrebbe essere sintonizzata. I risultati numerici hanno mostrato che l'indice effettivo poteva essere facilmente regolato per variare di oltre il 50 percento quando il sistema veniva ruotato. In tal modo gli scienziati sono stati in grado di regolare l'indice effettivo fissando le posizioni delle particelle e regolandone le dimensioni.
A SINISTRA:L'indice effettivo dei nanocilindri d'oro in funzione delle proporzioni e della dimensione delle particelle. Numeri (linee continue) e formula di miscelazione di Maxwell Garnett (trattini). (a) Le proporzioni delle matrici quadrate di cilindri sono state variate, mantenendo costante il volume e la separazione superficie-superficie di ciascun cilindro, come mostrato negli inserti. Il diametro non distorto dei cilindri era d = 30 nm e la lunghezza d'onda incidente era λ0 = 200 μm. (b) I cilindri sono stati posti su un reticolo triangolare di lunghezza 50 nm, e i loro diametri sono stati variati da 0 nm ≤ d ≤ 48 nm per una lunghezza d'onda incidente di 0 = 2 μm. A DESTRA:Progettazione di una lente con indice sfumato con hotspot "doppiamente migliorati". (a) Schema di una lente con indice di gradiente "concentratore" composta da nanocilindri d'oro su un reticolo triangolare con separazione da sito a sito di 50 nm. (b) Profilo indice effettivo della lente concentratrice, ideale (tratteggiato) e raggiunto (solido). (c) I campi magnetici vicini calcolati utilizzando la geometria effettiva e la geometria completa confermano che le onde piane sono focalizzate verso l'origine della lente. (d) All'interno del punto focale dell'obiettivo, la messa a fuoco e la compressione combinate del campo elettrico producono hotspot "doppiamente potenziati". Credito:Comunicazioni sulla natura, doi:10.1038/s41467-019-09939-8
Per evidenziare questo potenziale per ottimizzare l'indice effettivo locale, Palmer et al. quindi costruito una lente con indice di gradiente (GRIN) utilizzando reticoli triangolari di cilindri d'oro e variando i diametri dei cilindri con la posizione. Utilizzando l'obiettivo GRIN, gli scienziati sono stati in grado di focalizzare simultaneamente la luce sulla microscala e quindi "spremere" la luce sulla nanoscala per produrre l'intenso, hotspot del campo elettrico "doppiamente potenziati". A differenza dei potenziamenti plasmonici, l'effetto non si basava su risonanze con perdita, dimostrando proprietà a banda larga e a bassa perdita.
Hanno mostrato che il punto focale della lente GRIN doveva coincidere con la regione di imballaggio più vicino per massimizzare la compressione del campo elettrico. A differenza dei campi magnetici che erano continui attraverso le interfacce aria-metallo nello studio, il campo elettrico fortemente localizzato negli interstizi. Di conseguenza, la compressione di una lunghezza d'onda di 2 µm in intervalli di 2 nm ha prodotto forti punti caldi di alta intensità nello studio.
In questo modo, Palmer et al. costruito a bassa perdita, dielettrici efficaci da array di nanoparticelle metalliche. Gli scienziati hanno ottenuto array altamente trasparenti che hanno superato la trasparenza dei dielettrici reali come il germanio; rinomati per la loro trasparenza alle radiazioni a bassa energia. Sono stati anche in grado di sintonizzare e controllare localmente le dimensioni, forma e spazio delle particelle che formano i nuovi metamateriali. Gli scienziati hanno mostrato che l'indice effettivo è essenzialmente costante per tutte le lunghezze d'onda maggiori di 2 µm. Questo lavoro consentirà agli scienziati dei materiali di progettare e progettare dispositivi ottici sofisticati con metamateriali che guidano o migliorano la luce attraverso un'ampia gamma di frequenze, essenzialmente senza un limite superiore sulla lunghezza d'onda.
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