p As nanoestruturas plasmônicas helicoidais têm atraído considerável atenção na ciência dos materiais e na química devido à sua quiralidade ótica inerente. Em um novo relatório, Yang Chen e uma equipe de pesquisa do departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial nos EUA desenvolveram Janus 3-D (nanopartículas com duas ou mais propriedades de superfície) nanoaberturas helicoidais plasmônicas (orifícios helicoidais), com sensibilidade de polarização controlada por direção. Eles projetaram as estruturas helicoidais usando moagem de feixe de íons focado em escala de cinza de uma etapa (FIB). Chen et al. em seguida, codificou a metassuperfície de Janus com dois enantiômeros de nanoaperture (moléculas de imagem espelhada da mão esquerda e direita uma da outra) com ângulos de rotação específicos para demonstrar a criptografia de dados de polarização controlada pela direção pela primeira vez. p As amostras projetadas no trabalho permitiram a transmissão seletiva de certos tipos de luz polarizada, enquanto bloqueia outros. Essa sensibilidade à polarização dependia da direção da luz que entrava; por exemplo, luz em uma direção específica levou os arrays a produzir imagens binárias, enquanto a luz na direção oposta pode reproduzir fotografias em tons de cinza. Chen et al. imaginar usando as nanoaberturas helicoidais Janus propostas para uma variedade de aplicações que vão desde o controle de polarização dentro de dispositivos fotônicos integrados, detecção avançada de enantiômero, criptografia e descriptografia de dados, bem como processamento óptico de informações. Os novos resultados agora são publicados em Light:Ciência e Aplicações .

p A quiralidade foi definida pela primeira vez por Lord Kelvin para descrever qualquer figura geométrica cuja imagem no espelho não pudesse coincidir com ela mesma. A propriedade é onipresente em objetos biológicos que variam de pequenas biomoléculas, como aminoácidos e nucleotídeos, a macromoléculas maiores, como proteínas e ácidos nucléicos, e até mesmo nossas mãos e pés. Embora as versões para destros e canhotos de uma molécula conhecida como enantiômeros possam ter propriedades químicas e físicas semelhantes, eles podem desempenhar funções biológicas totalmente diferentes em diversos campos de aplicações.

p A espectroscopia de dicroísmo circular (CD) é normalmente usada para analisar a quirótica de dois enantiômeros, mas os efeitos quirópticos são extremamente fracos em materiais naturais. Para superar este desafio, os cientistas desenvolveram anteriormente estruturas plasmônicas quirais para aumentar significativamente os sinais de CD de moléculas quirais. Além deste propósito, tais estruturas também têm aplicações adicionais como polarizadores em miniatura, óptica não linear e dispositivos ópticos controlados por rotação. As nanoestruturas plasmônicas helicoidais são importantes, uma vez que o vetor do campo elétrico da luz polarizada circularmente (CPL) pode seguir uma trajetória helicoidal. Como resultado, fortes interações de matéria leve são esperadas quando a lateralidade das nanoestruturas helicoidais coincide com a do CPL. Contudo, é um desafio fabricar tais nanoestruturas helicoidais na prática.

p Os cientistas de materiais usaram anteriormente a gravação direta a laser de dois fótons seguida por uma etapa de galvanoplastia para produzir uma hélice plasmônica 3-D, que tinha limites de resolução espacial em microescala durante as aplicações no espectro visível e infravermelho próximo. De forma similar, a deposição induzida por feixe de elétron / íon focado pode escalar a estrutura helicoidal para a nanoestrutura, mas o método carecia de velocidade para produção em grande escala. Como consequência, As instalações de litografia com alinhamento de alta resolução e operações delicadas são atualmente necessárias para a fabricação conveniente e rápida de nanoestruturas helicoidais plasmônicas com sinais de CD gigantes.

p No presente trabalho, Chen et al. gravou as nanoaberturas helicoidais plasmônicas 3-D Janus em um único, filme de ouro opticamente espesso com uma abertura em forma de arco e ranhura de gradiente em forma de arco conectada de ponta a ponta entre si. Com base na profundidade da ranhura do gradiente, que foi aumentado no sentido horário ou anti-horário, as nanoaberturas helicoidais quirais existiam em duas formas enantioméricas como versões "A 'e" B' que eram simétricas em espelho entre si. Os cientistas aplicaram uma alta dose de Ga ⁺ íons durante o processo de moagem de feixe de íons focado e delicadamente ajustou o foco e astigmatismo do feixe de íons para formar as matrizes de nanoaperturas helicoidais 3-D com uniformidade satisfatória.

p Eles então estudaram as propriedades quirópticas de nanoaberturas helicoidais plasmônicas 3-D na direção direta, quando a luz polarizada circularmente (CPL) foi iluminada na superfície de ouro e transmitida para fora do substrato de sílica dentro da configuração experimental. A simulação numérica realizada com o COMSOL Multiphysics e os resultados experimentais do estudo coincidiram, e Chen et al. creditado quaisquer discrepâncias experimentais a imperfeições de fabricação no sistema FIB.

p Os cientistas modelaram as nanoaberturas helicoidais 3-D como uma série de segmentos de guia de onda em forma de arco em cascata para atingir a quiralidade ótica esperada. Se a lateralidade da CPL (luz circularmente polarizada) corresponder à da ranhura do gradiente, a potência óptica de entrada pode ser coletada na área de abertura ao longo da ranhura de gradiente para produzir uma transmissão forte na configuração experimental.

p Chen et al. em seguida, determinou as propriedades ópticas da nanoabertura helicoidal plasmônica 3-D Janus na direção inversa. Por esta, eles iluminaram a luz no substrato de sílica para transmiti-la da superfície de ouro para obter intensidade quase semelhante na direção inversa, os resultados mostraram dicroísmo linear gigante (não dicroísmo circular) com luz polarizada circularmente.

p Com base nesses resultados, Chen et al. codificou a metassuperfície de Janus para construir uma imagem de código QR binário (resposta rápida) na direção direta sob iluminação polarizada circularmente para destros (RCP). Na segunda etapa, eles codificaram uma imagem em tons de cinza na direção inversa sob luz polarizada linearmente. Eles foram capazes de codificar informações na mesma metassuperfície de Janus sem perturbação mútua e revelar a imagem do código QR quando apenas iluminando a luz da mão direita na direção dianteira para descriptografar e conectar a uma mensagem codificada ligando o site da Wikipedia do físico Niels Bohr. Chen et al. testou o desempenho de banda larga da meta-superfície Janus para distinguir a imagem do código QR usando um scanner de código QR a 690 nm, variando até 890 nm.

p Desta maneira, Chen et al. introduziu um novo tipo de nanoabertura plasmônica 3-D Janus usando sensibilidade de polarização comutada na direção. Eles fabricaram o dispositivo usando fresamento FIB em escala de cinza de uma etapa. As propriedades ópticas exclusivas das nanoaberturas helicoidais 3-D permitiram que criptografassem e descriptografassem dados usando polarização de luz controlada por direção. O trabalho terá adicionais, aplicações de última geração como polarizadores multifuncionais, monitores de alta resolução e em processamento óptico de informações. p © 2019 Science X Network