Comprimere la luce oltre il limite di diffrazione e controllare i processi ottici causati dalla luce nanoconfinata sono questioni centrali della nanofotonica. In particolare, la luce localizzata e potenziata nei nanogap plasmonici nei microscopi con sonda a scansione ci fornisce una piattaforma unica per ottenere informazioni ottiche specifiche del sito su scala molecolare/atomica.
Molto recentemente, non solo l'ottica lineare ma anche quella non lineare sono state applicate a tale nanoscopia potenziata con la punta per ottenere sensibilità e risoluzione spaziale più elevate. In questo contesto, comprendere le proprietà ottiche non lineari intrinseche delle nanocavità plasmoniche è di crescente importanza per controllare in modo più preciso l'ottica non lineare di dimensioni nanometriche.
I ricercatori guidati da Toshiki Sugimoto, professore associato presso l'Istituto di scienze molecolari, sono riusciti a chiarire le proprietà ottiche non lineari intrinseche delle nanocavità plasmoniche del substrato di punta. Combinando un sistema laser a impulsi a femtosecondi regolabile in lunghezza d'onda con un microscopio a effetto tunnel e concentrandosi sul miglioramento della punta della generazione di seconda armonica (SHG), hanno riportato una risposta ottica non lineare potenziata dalla punta inaspettatamente ampia in una nanocavità plasmonica (vedere figura 1).
Hanno dimostrato che il potenziamento della punta di SHG è mantenuto nell'intervallo di lunghezze d'onda dal visibile all'infrarosso (vedere figura 2a-c). Inoltre, sono stati verificati anche gli effetti geometrici prominenti delle punte plasmoniche che dominano questa capacità di potenziamento della banda larga; la proprietà ottica non lineare a banda larga delle nanocavità del substrato della punta è significativamente influenzata non solo dalle strutture degli apici della punta di dimensioni nanometriche ma anche dagli alberi della punta di dimensioni micrometriche (vedere figura 2d-i).
L'origine di questi effetti geometrici è stata svelata da precise simulazioni numeriche di campi plasmonici all'interno di nanocavità del substrato di punta. Teoricamente hanno dimostrato che le proprietà SHG migliorate dalla punta a banda larga possono essere alterate in modo significativo in risposta alle strutture della punta su scala nanometrica e micrometrica. Le simulazioni che incorporano queste informazioni strutturali catturano in modo eccellente il comportamento osservato sperimentalmente (vedi figura 2j-l).
Un'analisi più dettagliata di questi risultati simulati ha rivelato l'origine degli effetti geometrici sull'SHG potenziato dalla punta; mentre gli alberi della punta su scala micrometrica estendono la gamma spettrale del potenziamento del campo alle regioni del vicino e medio infrarosso, gli apici della punta su scala nanometrica contribuiscono principalmente a potenziare la luce visibile/vicino infrarosso. Ciò indica che gli alberi della punta su scala micrometrica e gli apici della punta su scala nanometrica consentono congiuntamente il miglioramento simultaneo sia dell'eccitazione del medio/vicino infrarosso che dei processi di radiazione visibile/vicino all'infrarosso, rispettivamente, realizzando l'SHG fortemente migliorato rispetto alla banda larga dal visibile all'infrarosso regione.
Questa dimostrazione della significativa capacità di miglioramento della banda larga dei nanogap plasmonici fornisce una nuova base per il controllo intenzionale dei fenomeni ottici non lineari specifici del sito che sono fondamentalmente accompagnati da una drastica conversione della lunghezza d'onda. Inoltre, le scoperte del gruppo aprono la strada allo sviluppo di una nanoscopia potenziata dalla punta di prossima generazione sfruttando vari processi ottici non lineari.
Sulla base di queste nuove tecniche, le informazioni chimiche e topografiche correlate verranno affrontate con successo con la massima risoluzione spaziotemporale, promuovendo la ricerca microscopica all'avanguardia in una varietà di processi fisici, chimici e biologici che si verificano in ambienti eterogenei.
Ulteriori informazioni: Shota Takahashi et al, Risposta ottica non lineare potenziata dalla punta a banda larga in una nanocavità plasmonica, The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c01343
Informazioni sul giornale: Giornale di lettere di chimica fisica
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