I ricercatori dell'Università Nazionale di Singapore (NUS) hanno introdotto una piattaforma plasmofora di upconversion per consentire un controllo preciso sulla polarizzazione delle nanoparticelle di upconversion isotropiche (UCNP). Ciò si ottiene accoppiando attivatori di upconversion con metasuperfici supportate dalla modalità plasmonica con gap anisotropico attentamente progettate.
L'accoppiamento fotone-plasmone nei sistemi ibridi è un potente strumento per studiare le interazioni luce-materia su scala nanometrica, con potenziali applicazioni in vari campi, tra cui laser miniaturizzati a stato solido, spettrometri ultracompatti, rilevamento molecolare su chip e imaging polarimetrico. Gli UCNP drogati con lantanidi sono particolarmente promettenti come sorgenti di luce quantistica grazie ai loro distinti picchi di emissione, al grande spostamento anti-Stokes e all'eccellente fotostabilità.
Le caratteristiche impronte spettroscopiche fornite da questi picchi di emissione rendono più semplice l’identificazione accurata delle informazioni. Mentre sono stati esplorati sistemi ibridi di upconversion per migliorare la fotoluminescenza e la dinamica di decadimento attraverso l'accoppiamento plasmone-fotone superficiale, la simmetria del reticolo cristallino dei piccoli UCNP rende difficile ottenere l'anisotropia di polarizzazione. Inoltre, il controllo della polarizzazione della luce è essenziale per diverse applicazioni, come la codifica delle informazioni, la tecnologia di visualizzazione e il rilevamento biologico.
Un gruppo di ricerca guidato dal professor Liu Xiaogang del Dipartimento di Chimica, NUS, ha concepito un approccio per ottenere un controllo preciso della polarizzazione sugli UCNP isotropi accoppiando attivatori di upconversion con nanostrutture complesse, note come metasuperfici supportate dalla modalità plasmonica con gap anisotropico. La ricerca è pubblicata sulla rivista Chem .
Impiegando antenne metalliche a forma di bastoncino, i ricercatori sono stati in grado di controllare la polarizzazione della luce di questi UCNP isotropi in un modo simile a sintonizzare una radio su diverse stazioni radio. Ciò ha permesso loro di controllare la polarizzazione della luce di questi UCNP isotropi dalla gamma visibile a quella del vicino infrarosso, superando i vincoli posti dalla loro simmetria cristallina.
Il design metallo-isolante-metallo garantisce la presenza di forti modalità di doppia risonanza in direzioni ortogonali con un'interferenza minima tra loro. Inoltre disaccoppia i processi coinvolti nell'eccitazione e nell'emissione della luce.
Utilizzando sia l'eccitazione del campo lontano che l'interferenza elettromagnetica del campo vicino, gli UCNP isotropi possono essere controllati per produrre variazioni periodiche nell'ampiezza dell'emissione, con un'ampia sensibilità alla polarizzazione dell'eccitazione fino all'83%.
Il gruppo di ricerca ha esplorato ulteriormente il modo in cui la densità locale delle particelle di luce attorno alle antenne influisce sul modo in cui l’energia viene rilasciata dalla nanopiattaforma ibrida. Eccitando il sistema in modo lineare, questa nanopiattaforma ibrida può passare tra quattro stati di polarizzazione di conversione, consentendo più livelli di emissione luminosa in configurazioni di polarizzazione parallela o ortogonale.
La loro indagine numerica ha ulteriormente fatto luce su come le modalità plasmoniche anisotrope influenzano selettivamente lo stato di polarizzazione della luce emessa. Nello specifico, quando i fattori di potenziamento dell'eccitazione sono molto più grandi dei fattori di potenziamento dell'emissione, lo stato di polarizzazione di conversione verso l'alto è determinato dalla polarizzazione di eccitazione, portando a caratteristiche di polarizzazione parallela.
Al contrario, quando i fattori di potenziamento dell'emissione sono paragonabili ai fattori di potenziamento dell'eccitazione, gli emettitori di upconversion accoppiati hanno prodotto luce emessa con proprietà anisotrope.
Il professor Liu ha affermato:"Le polarizzazioni di upconversion multilivello potrebbero aprire la strada a sistemi fotonici innovativi, offrendo la flessibilità di personalizzare le frequenze e le direzioni della luce che utilizzano la luce in modi unici. Ciò apre prospettive entusiasmanti per lo sviluppo di dispositivi compatti che sfruttano la luce in modi nuovi per fotonica avanzata."
Ulteriori informazioni: Jiahui Xu et al, Polarizzazione di conversione multilivello abilitata da plasmoni programmabili, Chem (2023). DOI:10.1016/j.chempr.2023.11.007
Informazioni sul giornale: Chimica
Fornito dall'Università Nazionale di Singapore
