Os materiais plasmônicos podem controlar exclusivamente o espectro eletromagnético devido à arquitetura de superfície em nanoescala. Avanços recentes na nanotecnologia e ciência dos materiais e sua capacidade combinada de desenvolver geometrias controladas em nanoescala continuam a evoluir, como observado com propriedades ópticas de amplitude, fases e frentes de onda para materiais em óptica. Embora os pesquisadores tenham se concentrado em frequências e comprimentos de onda individuais, poucos estudos tentaram controlar propriedades fundamentais em vários regimes de frequência eletromagnética. Por exemplo, sistemas multiespectrais podem estabelecer novas superfícies com funções combinadas, como multicamadas reflexivas que absorvem e emitem luz infravermelha seletivamente em janelas atmosféricas transparentes para gerenciamento térmico. De forma similar, filtros plasmônicos com ressonância ajustável podem ser usados ​​para imagens coloridas multiespectrais. Esses conceitos podem ser aplicados para obter técnicas de camuflagem e anti-falsificação.

Ressonâncias em tais sistemas ocorrem como modos multipolares elétricos e magnéticos excitados que dependem das geometrias e dimensões dos materiais constituintes devido às características inerentes da hibridização do plasmon e do acoplamento plasmon-fônon. Essas características podem ser usadas com eficácia para projetar propriedades de superfície óptica de um material. Contudo, tentativas de controlar parâmetros estruturais e acomodar um regime espectral específico podem influenciar ressonâncias de ordem superior em faixas de comprimento de onda inferior, resultando em uma falta de controle independente do caráter óptico em regiões espectrais específicas.

Em um estudo recente, um novo dispositivo empregou plasmonics para controlar uma variedade de comprimentos de onda de luz usando um sistema nanoestruturado acoplado a cavidade multicamadas. O sistema plasmônico manteve a absorção continuamente sintonizável ao longo das janelas de transparência atmosférica de onda média (3-5 µm) e onda longa (8-12 µm) infravermelho (MWIR e LWIR), enquanto mantém propriedades visíveis quase invariáveis. O dispositivo foi projetado e desenvolvido por Daniel Franklin e colegas do Departamento de Física e fabricado com uma camada dielétrica padronizada com orifícios de tamanho nano espaçados regularmente. Por design, as nanoestruturas foram imprensadas entre um espelho metálico reflexivo e uma fina camada superior de ouro com orifícios correspondentes ao disco do meio. Funcionalmente, a resposta espectral da nanoestrutura acoplada à cavidade multicamadas dependia de interações entre ressonâncias plasmônicas, difração e feedback de cavidade.

O modo de ressonância de cada regime foi definido e explorado usando simulações numéricas no domínio do tempo de diferenças finitas (FDTD). Os parâmetros foram identificados e variados para criar uma paleta de cores infravermelho (IR) experimental. Essas imagens se tornaram visíveis com câmeras infravermelhas, mas foram ocultadas no domínio visível por absorção e difração plasmônica pixel a pixel consistentes. O estudo usou uma configuração de engenharia multiespectral para demonstrar plasmônicos induzidos por cavidade para aplicações em tecnologias de camuflagem e anti-falsificação. O trabalho agora está publicado em Luz:Ciência e Aplicações .

Como prova de princípio, Franklin et al. codificou imagens e dados em superfícies de materiais e observou-os usando câmeras infravermelhas e visíveis para demonstrar o potencial do sistema plasmônico acoplado à cavidade. Na técnica, os cientistas criaram um mapa entre os diâmetros de um determinado pixel e os valores da escala de cinza da superfície para visualizar através de imagens de câmeras infravermelhas. A imagem foi codificada pela primeira vez usando gravação direta a laser em um polímero modelo mestre que foi usado para fabricar a superfície nanoestruturada usando litografia de nanoimpressão (NIL). Antes e depois do processo NIL, as cavidades metálicas de três camadas produzidas foram fotografadas usando microscopia eletrônica de varredura (MEV) para caracterização da superfície.

Variando os parâmetros de gravação a laser (potência e velocidade) do processo de gravação mestre, os cientistas obtiveram uma variedade de diâmetros de orifícios para os dispositivos infravermelho de onda média (MWIR) e infravermelho de onda longa (LWIR). Dependendo do ângulo de luz incidente e ângulo de visão, quando visto pelo olho ou usando uma câmera de regime visível, a superfície codificada apareceu como um bloco uniforme de cor. Enquanto isso, a câmera infravermelha mostrou as imagens codificadas em tons de cinza com uma resolução dependendo da plasmônica de superfície.

Os cientistas realizaram medições de espectrômetro visível e infravermelho dos sistemas plasmônicos fabricados. As superfícies ressonantes infravermelhas foram fotografadas usando câmeras projetadas para suas respectivas bandas de operação. Um detector de antimoneto de índio resfriado foi usado para visualizar as superfícies MWIR e um VO não resfriado _x A câmera do microbolômetro foi usada para visualizar a superfície do LWIR. O acoplamento dipolar entre a matriz de orifícios / discos e sua interação com a cavidade óptica ditou a resposta infravermelha. A difração em modos de cavidade de Fabry-Perot dominou o regime visível. Imagens e dados em escala de cinza foram codificados nas superfícies mapeando o diâmetro dos orifícios do sistema plasmônico para os respectivos pixels.

Quando o sistema plasmônico acoplado à cavidade foi excitado na ressonância, as interações coerentes entre os fótons e a densidade de elétrons livres dentro do metal produziram oscilações carregadas coletivamente conhecidas como plasmons de superfície. Localização de carga de alta densidade e microcorrentes resultantes das interações nas bordas dos elementos metálicos, cuja energia se dissipou por perda ôhmica.

Variando os parâmetros do sistema, os cientistas codificaram imagens na superfície dentro de uma faixa espectral desejada, enquanto essas imagens não pareciam visíveis dentro de outras. Por exemplo, uma imagem codificada dentro da janela infravermelha de onda média (MWIR), apareceu como uma imagem em tons de cinza quando vista por uma câmera MWIR, embora a aparência dentro da faixa visível e regime de infravermelho de onda longa (LWIR) permanecesse uma cor constante.

Os cientistas caracterizaram traços ópticos do sistema plasmônico acoplado à cavidade no estudo e os categorizaram por características geométricas em relação ao comprimento de onda da luz incidente (λ _inc ) Para demonstrar esse efeito, dois dispositivos foram definidos e simulados principalmente no estudo conduzido pelo grupo de pesquisa para operar nas janelas de transparência atmosférica MWIR e LWIR. Os espectros de refletância multiespectral das respectivas superfícies foram calculados em função do diâmetro do orifício usando o método FDTD.

Quando a luz incidente era consideravelmente maior do que o padrão, o sistema se comportou como um plano metálico ou espelho. Conforme a luz incidente diminuiu, transmissão de luz extraordinária ocorreu através da matriz de disco de buraco de comprimento de onda, devido à ressonância de plasmon induzida, acoplar a onda eletromagnética na cavidade. À medida que a luz incidente se tornou comparável à dimensão estrutural da matriz, o sistema suportava ressonâncias plasmônicas e de interferência de ordem superior devido ao início da difração interna da cavidade. Usando o estudo de parâmetro, Franklin et al. identificou duas rotas possíveis para obter a codificação infravermelha; (i) o diâmetro dos orifícios e (ii) a profundidade do relevo - mantendo a absorção visível uniforme.

Os cientistas quantificaram a eficiência de difração no estudo para os dispositivos MWIR e LWIR como uma função do diâmetro do orifício usando FDTD. Os resultados indicaram que os dispositivos podem ser ajustados para diferentes comprimentos de onda; principalmente através das janelas de transparência infravermelha, modificando o diâmetro do orifício / disco e mantendo o brilho pixel a pixel no domínio visível. A informação codificada não era 'invisível' para diferentes comprimentos de onda, em contraste, as dimensões do sistema de disco-orifício plasmônico excederam o limite de difração da luz visível. As características individuais eram visíveis com objetivas de alta ampliação. O estudo combinou facilidade de fabricação e compatibilidade em substratos flexíveis para projetar a arquitetura do dispositivo. Os resultados levarão a novas superfícies plasmônicas com funções multiespectrais para codificar informações.

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