Diagramas esquemáticos de duas configurações para controle coerente no plano de ressonâncias de plasmon. um interferômetro de guia de ondas de fibra. b Microscópio confocal de campo escuro (DF), onde a iluminação de um quarto pode ser satisfeita bloqueando 3/4 da área da abertura anular. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1
O incidente de luz em nanopartículas metálicas pode iniciar o movimento coletivo dos elétrons, causando uma forte amplificação do campo eletromagnético local. Essas ressonâncias plasmônicas têm papéis significativos no biossensorio, com capacidade de melhorar a resolução e a sensibilidade necessárias para detectar partículas na escala da molécula única. O controle de ressonâncias de plasmon em metadispositivos tem aplicações potenciais em todo-óptico, modulação de sinal luz com luz e processamento de imagem. Relatórios demonstraram o controle coerente fora do plano de ressonâncias de plasmon modulando metadispositivos em ondas estacionárias. Em dispositivos ópticos, a luz pode ser transferida ao longo das superfícies para o controle sem precedentes dos plasmons. Quando oscilações em elétrons condutores são acopladas a fótons de luz, ressonâncias de plasmon de superfície localizada (LSPR) podem atuar como portadores de informações para sensores ópticos de tamanho nano e em computadores.
Em um estudo recente, Liyong Jiang e colegas de trabalho da Universidade de Ciência e Tecnologia de Nanjing demonstraram dois métodos para iluminação em plano de LSPRs como uma prova de princípio em nanodiscos de ouro. Os resultados de seu trabalho mostraram que os LSPRs podiam ser comutados em diferentes estados ajustando a luz incidente para codificar dados lógicos em cadeias de uma maneira que até então não era possível com iluminação fora do plano. Os resultados agora são publicados em Light:Ciência e Aplicações .
Esforços significativos na última década foram dedicados ao estudo das interações luz-matéria em nanoescala em sistemas plasmônicos. A capacidade de controlar LSPR levou a muitas aplicações práticas, incluindo exemplos pioneiros como:
Controle coerente em plano de ressonâncias de plasmon em monômeros de nanodisco de ouro. uma, b Espectros de absorção normalizados calculados de monômeros de nanodisco de ouro com um diâmetro variando de 140 a 200 nm para onda de plano s-polarizada no plano vindo do lado direito (linha tracejada) ou de ambos os lados (linha sólida) sem atraso de fase, ou com um atraso de fase de π. “F” e “H” representam ressonâncias plasmônicas fundamentais e de alta ordem. c – e As distribuições espaciais correspondentes da amplitude do campo elétrico | E |, parte real Re (Ez), e parte imaginária Im (Ez) para os modos “F” e “H” (sinais de quadrado e círculo) do monômero nanodisco de ouro representativo (D =160 nm) sob iluminação assimétrica e simétrica no plano. Sob iluminação simétrica no plano, podemos observar interferência destrutiva / construtiva dependente do atraso de fase para os modos “F” e “H”. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1
Durante os estágios iniciais de desenvolvimento, os cientistas se concentraram em controlar o LSPR projetando configurações das nanoestruturas plasmônicas. Eles compreenderam o LSPR dependente do tamanho e da forma de nanopartículas plasmônicas únicas e sistemas plasmônicos acoplados com base na teoria clássica de Mie e modelos de hibridização plasmônica bem estabelecidos. Adicionalmente, o feixe de luz normalmente iluminava a superfície da amostra de uma direção em estudos ópticos convencionais de nanoantenas simples e acopladas.
Embora a capacidade de controlar ressonâncias de plasmon por meio de iluminação fora do plano tenha aberto um novo caminho para modular os sinais, o processo mostrou limitações. Como resultado, Jiang et al. relataram o controle coerente no plano de ressonâncias de plasmon em nanoantenas metálicas típicas. Os cientistas forneceram uma demonstração de prova de princípio de aplicações de comutação e codificação plasmônica para nanodiscos de ouro simples e acoplados.
Para realizar o controle coerente no plano das ressonâncias de plasmon no laboratório, os cientistas propuseram duas configurações experimentais possíveis. Um foi baseado em um interferômetro de guia de onda de fibra, que enfrentou desafios durante os experimentos. Em comparação, o segundo método incluiu um método mais conveniente, configuração de microscopia confocal de campo escuro amplamente utilizada. Nisso, a condição de iluminação totalmente simétrica no plano pode ser satisfeita no início, quando a luz de entrada é focada no centro da amostra. Para construir iluminação assimétrica no plano, os cientistas bloquearam três quartos da área da abertura anular. Jiang et al. mostraram que a configuração era adequada para estudar nanoestruturas plasmônicas com tamanhos comparáveis ao tamanho do ponto focado do feixe de luz incidente.
Demonstração da regra de distribuição do campo elétrico para o monômero e dímero do nanodisco de ouro de 200 nm por s-SNOM. a Esquemático da medição s-SNOM para configurações de coleção de excitação s – s e s – p. O comprimento de onda do laser de excitação é de 633 nm e o ângulo de incidência em relação ao plano do substrato é de 30 °. b Espectros de absorção normalizados calculados de monômero e dímero de nanodisco de ouro de 200 nm com ângulo de incidência de 30 ° sob iluminação assimétrica (linha tracejada) ou simétrica (linha sólida) sem atraso de fase. O tamanho da lacuna no dímero é de 30 nm. c Imagens microscópicas de força atômica (AFM) do monômero e dímero do nanodisco de ouro para medições s – se s – p. A seta vermelha representa a direção de incidência do laser e a linha azul tracejada representa o eixo central do nanodisco. d, e Distribuições espaciais experimentais e simuladas da amplitude | A |, fase ϕ, e a parte real do componente de campo elétrico Ey na medição s – s e Ez na medição s – p para monômero e dímero de nanodisco de ouro de 200 nm. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1
Para projetar as amostras de nanodisco de ouro em dióxido de silício / sílica (SiO 2 / Si) substratos, Jiang et al. usou litografia de feixe de elétrons (EBL) ao lado de um processo de decolagem. Eles completaram o processo de fabricação revestindo a superfície do substrato com uma película de ouro e uma camada de adesão de cromo (Cr) subjacente usando evaporação de feixe de elétrons. Os cientistas então estudaram o controle coerente no plano das ressonâncias do plasmon nos nanodiscos de ouro e calcularam os espectros de absorção dos monômeros dos nanodiscos de ouro variando de diâmetros de 140 a 200 nm; fabricado no SiO 2 Superfície do substrato / Si.
No trabalho, eles estabeleceram e verificaram experimentalmente a regra de distribuição dos componentes do campo elétrico para realizar ressonâncias plasmônicas destrutivas e construtivas em uma nanoestrutura plasmônica axissimétrica. Eles mostraram como o controle coerente no plano das ressonâncias plasmônicas dependia fortemente da configuração e simetria das nanoestruturas plasmônicas, em comparação com o controle coerente fora do plano. Este recurso pode permitir liberdade na adaptação e engenharia de múltiplas ressonâncias de plasmon em outras estruturas de simetria axial, que incluem nanoesferas, nanorod, polímeros nano gravata borboleta e nanoestrutura.
Demonstração de comutação plasmônica por medição de espalhamento de campo escuro (DF) de monômero e dímero de nanodisco de ouro. a Espectro de espalhamento DF normalizado de monômero de nanodisco de ouro com um diâmetro de 200 nm (imagem SEM) sob iluminação total e um quarto. b Os espectros de absorção e espalhamento simulados normalizados correspondentes. c, d Espectros de espalhamento de DF medidos e simulados normalizados de dímero de nanodisco de ouro com um diâmetro de 200 nm e um tamanho de lacuna de 30 nm (imagem SEM) sob iluminação total e um quarto. As curvas sólidas vermelhas em c são os resultados de suavização. A barra de escala em imagens SEM é de 200 nm. e, f Diagramas de polarização de iluminação total e quarto na medição e simulação de espalhamento DF para monômero e dímero de nanodisco de ouro. Tanto no experimento quanto na simulação, a excitação é s- ou p-polarizada e a coleção não é polarizada. As setas pretas e vermelhas de duas pontas representam a polarização inicial e a polarização após o foco, respectivamente. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1
Para obter imagens dos modos de ressonância de plasmon em nanodiscos de ouro, os cientistas usaram uma técnica s-SNOM sensível à polarização, que pode detectar luz nas regiões de escala nanométrica diretamente abaixo da ponta da sonda microscópica de força atômica (AFM). Os cientistas usaram um esquema de geometria s-s / s-p e acionaram uma ponta dielétrica (Si) para as medições. Eles iluminaram a amostra usando radiação laser com uma luz incidente de 30 0 em relação ao plano do substrato. Jiang et al. mediu a amplitude e a fase do sinal espalhado com base no quarto harmônico da frequência de toque da ponta da ponta de AFM. Eles usaram um analisador na frente do detector para selecionar o componente polarizado s ou p da luz espalhada.
Demonstração de comutação plasmônica por medição de espalhamento de campo escuro (DF) de monômero e dímero de nanodisco de ouro. a Espectro de espalhamento DF normalizado de monômero de nanodisco de ouro com um diâmetro de 200 nm (imagem SEM) sob iluminação total e um quarto. b Os espectros de absorção e espalhamento simulados normalizados correspondentes. c, d Espectros de espalhamento de DF medidos e simulados normalizados de dímero de nanodisco de ouro com um diâmetro de 200 nm e um tamanho de lacuna de 30 nm (imagem SEM) sob iluminação total e um quarto. As curvas sólidas vermelhas em c são os resultados de suavização. A barra de escala em imagens SEM é de 200 nm. e, f Diagramas de polarização de iluminação total e quarto na medição e simulação de espalhamento DF para monômero e dímero de nanodisco de ouro. Tanto no experimento quanto na simulação, a excitação é s- ou p-polarizada e a coleção não é polarizada. As setas pretas e vermelhas de duas pontas representam a polarização inicial e a polarização após o foco, respectivamente. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1
Jiang et al. também demonstrou comutação plasmônica com medições de espalhamento de campo escuro (DF) de um monômero ou dímero de nanodisco de ouro. Na configuração experimental, eles usaram um sistema de microscopia confocal Raman para medir os espectros de espalhamento. Eles então usaram pacotes de software disponíveis comercialmente para conduzir simulações numéricas no estudo. As simulações incluíram distribuições de campo elétrico, espectros de absorção e espalhamento para nanodiscos de ouro. Eles simularam os parâmetros eletromagnéticos complexos para ouro e cromo incorporados na configuração experimental, com base em publicações anteriores.
Codificação plasmônica em cadeias de nanodiscos de ouro. a Espectros de absorção calculados de cadeias de nanodiscos de ouro que consistem em diferentes números de nanodiscos iluminados pela onda do plano s-polarizado no plano vindo do lado direito (linha tracejada) ou de ambos os lados (linha sólida). O diâmetro do nanodisco é de 140 nm e a distância de separação é de 30 nm. As ressonâncias plasmônicas destrutivas e construtivas são representadas pelas cores verde e vermelha, respectivamente. b Distribuições espaciais da amplitude do campo elétrico | E | para as ressonâncias de plasmão “F” (posição de pico) sob iluminação simétrica. c Distribuições de amplitude de campo elétrico cortadas ao longo da borda da corrente (a linha tracejada branca em b). d – g Distribuições espaciais correspondentes da parte real e imaginária de Ez quando a onda plana no plano polarizada s vem do lado esquerdo (d, f) e lado direito (e, g) respectivamente. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1
Desta maneira, Jiang et al. demonstraram a comutação e codificação plasmônica de prova de princípio no estudo. Eles esperam mais aplicações potenciais com base na capacidade demonstrada de controle coerente no plano da ressonância de plasmon. Por exemplo, os cientistas podem usar o método para estudar espectros seletivos de superfície aprimorada, onde a fotoluminescência ou sinal Raman de múltiplas moléculas podem ser seletivamente aumentadas. Isso permitirá o controle do estado ligado / desligado de múltiplas ressonâncias de plasmon em uma nano-antena comum. Os cientistas propõem estender o esquema de codificação plasmônica demonstrado no estudo para imagens plasmônicas, nano lasing e comunicação óptica em nanocircuitos. Por exemplo, os cientistas podem combinar cadeias de nanoestruturas plasmônicas com diferentes características de codificação para construir portas lógicas (para operações de lógica booleana), bem como projetar guias de onda multicanal para armazenamento e processos totalmente ópticos de informações.
© 2019 Science X Network
