Por anos, cientistas há muito lutam com o controle e a manipulação da luz, uma ambição científica de longa data com grandes implicações para o desenvolvimento da tecnologia. Com o crescimento da nanofotônica, os cientistas estão obtendo ganhos mais rápido do que nunca, explorando estruturas com dimensões comparáveis ​​ao comprimento de onda da luz.

Cientistas da Universidade do Novo México que estudam o campo da nanofotônica estão desenvolvendo novas perspectivas nunca antes vistas em suas pesquisas. Por sua vez, a compreensão desses conceitos teóricos está permitindo que os cientistas físicos criem nanoestruturas mais eficientes.

A pesquisa, diz o professor assistente Alejandro Manjavacas, no Departamento de Física e Astronomia da Universidade do Novo México em um artigo intitulado "Hybridization of Lattice Resonances, "investiga como matrizes periódicas de nanoesferas ou átomos interagem com a luz. Esses sistemas são feitos pela repetição de uma célula unitária periodicamente, muito parecido com um tabuleiro de xadrez é feito pela repetição de dois quadrados de cores diferentes em um padrão. Anteriormente, a maioria das pesquisas focou apenas em estruturas com células unitárias feitas de um único elemento, como se cada quadrado do tabuleiro fosse de uma única cor. A pesquisa deles vai além disso, permitindo qualquer número de cores, desde que sejam organizadas em um padrão repetido.

"Ao contribuir para a compreensão fundamental de uma infinidade de novos fenômenos físicos, este esforço de pesquisa teórica ajudará a entender como a luz interage com objetos em nanoescala e ajudará a estabelecer as bases para o desenvolvimento de novos mecanismos para manipular a luz em nanoescala, que é a chave para realizar a próxima geração de aplicações nanofotônicas, "Manjavacas diz no jornal publicado recentemente em ACS Nano , uma publicação top no campo da nanofotônica.

O objetivo geral da pesquisa era abrir e mais novos caminhos na plasmônica, um campo de pesquisa que se concentra na compreensão da interação entre luz e nanoestruturas metálicas, cujo objetivo é desenvolver novas aplicações em nanofotônica. Como parte deste trabalho, os cientistas desenvolveram um modelo poderoso para entender como arranjos ordenados de nanoestruturas interagem com a luz. Este modelo pode ser usado para prever a resposta óptica de conjuntos de nanopartículas com padrões muito complicados, que pode ser explorado para projetar propriedades ópticas úteis para muitas aplicações:

"Por exemplo, esses sistemas podem constituir uma plataforma versátil para o desenvolvimento de biossensores compactos capazes de monitorar, em tempo real, os níveis de diferentes substâncias relevantes para os cuidados de saúde, "disse Manjavacas." Além disso, eles também podem ser usados ​​para melhorar o desempenho das células solares e para projetar fotodetectores mais eficientes. "

Os detalhes

Como parte da pesquisa, Manjavacas e sua equipe composta por Sebastian Baur, um estudante visitante de graduação da Alemanha, e Stephen Sanders, um estudante de graduação em Física e Astronomia, investigou as propriedades ópticas de arranjos periódicos de nanopartículas plasmônicas com células unitárias de multipartículas. Especificamente, eles procuraram entender como a geometria de arranjos complexos de nanoestruturas plasmônicas pode ser aproveitada para controlar suas respostas ópticas.

Eles estudaram matrizes compostas de células unitárias de duas partículas, em que a interação entre as diferentes partículas pode ser cancelada ou maximizada controlando sua posição relativa dentro da célula unitária. Eles também encontraram matrizes cuja resposta pode ser invariante à polarização da luz incidente ou fortemente dependente dela. Ambos os exemplos mostram como suas geometrias complexas podem ser usadas para exercer controle sobre a resposta das matrizes.

Manjavacas e sua equipe também exploraram sistemas com células unitárias de três e quatro partículas, como um tabuleiro de xadrez com três ou quatro tipos diferentes de quadrados coloridos, e mostrou que eles podem ser projetados para suportar ressonâncias com padrões de resposta complexos nos quais diferentes grupos de partículas na célula unitária podem ser excitados seletivamente.

"Os resultados deste trabalho servem para avançar nossa compreensão de matrizes periódicas de nanoestruturas e fornecer uma metodologia para projetar estruturas periódicas com propriedades de engenharia para aplicações em nanofotônica, "disse ele." Em particular, nós mostramos isso, controlando a posição relativa das partículas dentro da célula unitária, é possível manipular completamente a resposta óptica do sistema. "