Em um estudo que pode abrir portas para novas aplicações da fotônica, do sensoriamento molecular às comunicações sem fio, Cientistas da Rice University descobriram um novo método para ajustar as vibrações induzidas pela luz das nanopartículas por meio de pequenas alterações na superfície à qual as partículas estão fixadas.

Em um estudo publicado online esta semana em Nature Communications , pesquisadores do Laboratório de Nanofotônica de Rice (LANP) usaram pulsos de laser ultrarrápidos para induzir os átomos em nanodiscos de ouro a vibrar. Esses padrões vibracionais, conhecidos como fônons acústicos, têm uma frequência característica que se relaciona diretamente com o tamanho da nanopartícula. Os pesquisadores descobriram que podiam ajustar a resposta acústica da partícula variando a espessura do material ao qual os nanodiscos foram anexados.

"Nossos resultados apontam para um método direto para ajustar a frequência de fônons acústicos de uma nanoestrutura na faixa de gigahertz, controlando a espessura de sua camada de adesão, "disse o pesquisador principal Stephan Link, professor associado de química e em engenharia elétrica e da computação.

A luz não tem massa, mas cada fóton que atinge um objeto transmite uma quantidade minúscula de movimento mecânico, graças a um fenômeno conhecido como pressão de radiação. Um ramo da física conhecido como optomecânica foi desenvolvido na última década para estudar e explorar a pressão de radiação para aplicações como detecção de ondas gravitacionais e geração de baixa temperatura.

Link e colegas do LANP se especializam em outro ramo da ciência, chamado plasmônica, que se dedica ao estudo de nanoestruturas ativadas por luz. Plasmons são ondas de elétrons que fluem como um fluido através de uma superfície metálica.

Quando um pulso de luz de um comprimento de onda específico atinge uma partícula de metal como os nanodiscos de ouro em forma de disco nos experimentos LANP, a energia da luz é convertida em plasmons. Esses plasmons se espalham pela superfície da partícula com uma frequência característica, da mesma forma que cada fônon tem uma frequência vibracional característica.

O primeiro autor do estudo, Wei-Shun Chang, um pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Link, e os alunos de pós-graduação Fangfang Wen e Man-Nung Su conduziram uma série de experimentos que revelaram uma conexão direta entre as frequências ressonantes dos plasmons e fônons em nanodiscos que foram expostos a pulsos de laser.

"Aquecer nanoestruturas com um pulso de luz curto lança fônons acústicos que dependem sensivelmente das dimensões da estrutura, "Link disse." Graças às técnicas litográficas avançadas, experimentalistas podem projetar nanoestruturas plasmônicas com grande precisão. Com base em nossos resultados, parece que as nanoestruturas plasmônicas podem representar uma alternativa interessante aos osciladores optomecânicos convencionais. "

Chang disse que os especialistas em plasmônica costumam confiar em substratos ao usar litografia por feixe de elétrons para padronizar estruturas plasmônicas. Por exemplo, nanodiscos de ouro como os usados ​​nos experimentos não grudam nas lâminas de vidro. Mas se um substrato fino de titânio ou cromo for adicionado ao vidro, os discos irão aderir e permanecer onde foram colocados.

"A camada de substrato afeta as propriedades mecânicas da nanoestrutura, mas muitas questões permanecem sobre como ele faz isso, "Disse Chang." Nossos experimentos exploraram como a espessura do substrato afetava propriedades como adesão e freqüência fonônica. "

Link disse que a pesquisa foi um esforço colaborativo envolvendo grupos de pesquisa da Rice e da Universidade de Melbourne em Victoria, Austrália.

"Wei-Shun e Man-Nung do meu laboratório fizeram a espectroscopia ultrarrápida, "Link disse." Fangfang, que está no grupo de Naomi Halas aqui na Rice, fez os nanodiscos. John Sader da Universidade de Melbourne, e seu pós-doutorado Debadi Chakraborty calculou os modos acústicos, e Yue Zhang, um estudante de pós-graduação de Rice do grupo de Peter Nordlander em Rice simulou as propriedades ópticas / plasmônicas. Bo Shuang, do grupo de pesquisa de Landes em Rice, contribuiu para a análise dos dados experimentais. "