In una nuova pubblicazione da Opto-Electronic Advances, i gruppi di ricerca del professor Zhong-Qun Tian dell'Università di Xiamen, Xiamen, Cina e del professor Huigao Duan dell'Università Hunan di Changsha, Cina, discutono di antenne rombiche a ponte nanometrico che supportano modalità plasmoniche sia dipolari che di alto ordine con hotspot spazialmente sovrapposti nel medio infrarosso.

Antenne nel medio infrarosso (MIRA), spesso costruite con metalli (ad es. Au, Al o Ag), semiconduttori III-V altamente drogati, grafene drogato con elettroni o nanostrutture basate su fononi polaritoni, supportano la risonanza ottica nello spettro del medio infrarosso gamma (da 400 a 4000 cm−1). I MIRA possono fungere da antenne di ricezione concentrando così i fasci del medio infrarosso dallo spazio libero alle regioni su scala nanometrica (denominate hotspot) in prossimità della superficie dei MIRA. I MIRA possono anche fungere da antenne trasmittenti per amplificare direzionalmente la radiazione termica prodotta dal riscaldamento locale di sorgenti accoppiate ai MIRA. Queste straordinarie caratteristiche dei MIRA hanno ispirato un'ampia gamma di indagini sulle loro potenziali applicazioni per la spettroscopia di assorbimento dell'infrarosso potenziato dalla superficie (SEIRA) che porta a sensibilità ultraelevate (fino a centinaia di oscillatori), per sensori biologici e chimici nella regione del medio infrarosso, per l'ingegneria della forma del raggio di laser a cascata quantistica e per fotorilevatori altamente reattivi con assorbimento potenziato ed efficienza di raccolta dei portatori di foto nel medio infrarosso. Gli elementi fondamentali per le applicazioni ad alte prestazioni sono le micro e nanostrutture MIRA, ma lo sviluppo delle strutture MIRA è molto indietro rispetto a quello delle nanostrutture di antenne ottiche nella gamma spettrale del visibile.

Le strutture ad antenna dipolare a braccio singolo sono tra le MIRA più classiche, spesso costituite da aste d'oro con lunghezze d'onda risonanti sintonizzabili regolando la lunghezza delle aste. Inoltre, sono state sviluppate anche antenne dipolari a doppio braccio con lacune di dimensioni nanometriche (nanogap), come i dimeri a bastoncino d'oro, a causa della forza dei fattori di miglioramento del campo locale nei loro nanogap. Tuttavia, sia le antenne dipolari a braccio singolo che quelle a doppio braccio di solito supportano solo la modalità di risonanza dipolare che è una modalità fondamentale ea banda stretta con una larghezza di banda tipica di circa 200–500 cm−1. Di solito, le modalità di ordine elevato a braccio singolo o doppio sono in genere troppo deboli negli spettri ottici. Questa funzione limita l'applicazione che richiede più risonanze nella regione MIR.

Per ottenere MIRA multibanda, sono state progettate diverse micro e nanostrutture oltre alle antenne a braccio singolo o doppio, tra cui nanocroci d'oro, strutture di nanoaperture, microstrutture frattali, strutture trapezoidali log-periodiche e antenne dipolari con lunghezze multiple. Queste strutture potrebbero essere classificate in micro e nanostrutture che supportano diversi modi dipolari. Fondamentalmente, è una sfida a lungo termine sviluppare antenne a braccio singolo o doppio che supportino modalità plasmoniche fondamentali e di ordine superiore pronunciate simultaneamente come una modalità quadrupolare.

Il gruppo di ricerca del professor Zhong-Qun Tian dell'Università di Xiamen e del professor Huigao Duan dell'Università di Hunan ha progettato e fabbricato un'antenna rombica nanobridge multiscala (NBRA, Fig. 1a) che supportava due risonanze dominanti nel MIR (Fig. 1b), tra cui un banda del plasmone a trasferimento di carica (CTP) e una banda del plasmone dipolare a ponte (BDP) che assomiglia a una risonanza quadrupla. Questi incarichi sono evidenziati dall'imaging di microscopia ottica a campo vicino (s-SNOM) a scansione di tipo scattering e dalle simulazioni elettromagnetiche. Confrontando con altre strutture a nanoponti, come dischi o rettangoli a nanoponti, l'NBRA mostra risonanze multibanda distinte nella regione del medio infrarosso negli spettri di estinzione simulata. Inoltre, gli hotspot dell'NBRA si trovano alle estremità della struttura, mentre gli hotspot dei dischi o rettangoli nanobridge alla risonanza CTP sono distribuiti in modo dispersivo. La banda di ordine superiore si verifica solo con un ponte di dimensioni nanometriche (nanobridge) collegato a un'estremità del braccio rombico che funge principalmente da induttanza e resistenza mediante l'analisi del circuito RLC. Inoltre, i principali hotspot associati alle due bande risonanti sono spazialmente sovrapposti, consentendo di aumentare il campo locale per entrambe le bande mediante accoppiamento multiscala. Con ampi miglioramenti del campo, si ottiene il rilevamento multibanda con un'elevata sensibilità a un monostrato di molecole quando si utilizza la spettroscopia SEIRA. Questo lavoro fornisce una nuova strategia per attivare modalità di ordine elevato per la progettazione di MIRA multibanda con nanoponti e nanogap per applicazioni MIR come SEIRA multibanda, rivelatori IR e modellatura del raggio di laser a cascata quantistica in futuro. + Esplora ulteriormente

Progettazione della fluorescenza a singola molecola con nano-antenne asimmetriche