Pesquisadores da Rice University estudando o efeito da luz em cata-ventos (à esquerda) e nanopartículas de ouro em forma de C (direita) encontraram um efeito desconhecido em partículas individuais. A estimulação correta das partículas produziu uma modulação quase perfeita da luz que elas espalham por meio de sua resposta plasmônica. A descoberta pode ser útil no desenvolvimento de chips para componentes ópticos de última geração para computadores e antenas. Crédito:Link Research Group / Rice University
Pesquisadores da Rice University descobriram uma forma fundamentalmente diferente de interação luz-matéria em seus experimentos com nanopartículas de ouro.
Eles não estavam procurando por isso, mas os alunos do laboratório do químico do Rice Stephan Link descobriram que excitar as partículas microscópicas da maneira certa produzia uma modulação quase perfeita da luz que elas espalham. A descoberta pode ser útil no desenvolvimento da próxima geração, componentes óticos ultrapequenos para computadores e antenas.
Um artigo sobre a pesquisa foi publicado no jornal American Chemical Society. ACS Nano .
O trabalho surge das complicadas interações entre a luz e as partículas de metal plasmônico que absorvem e espalham a luz com extrema eficiência. Plasmons são quasipartículas, excitações coletivas que se movem em ondas na superfície de alguns metais quando excitadas pela luz.
Os pesquisadores do Rice estavam estudando estruturas plasmônicas semelhantes a cata-ventos de nanopartículas de ouro em forma de C para ver como elas respondiam à luz polarizada circularmente e seu campo elétrico giratório. especialmente quando a destreza, ou a direção de rotação da polarização, foi revertido. Eles então decidiram estudar partículas individuais.
"Nós o transformamos no sistema mais simples possível, onde tínhamos apenas um único braço do catavento, com uma única direção de luz incidente, "disse Lauren McCarthy, um aluno de pós-graduação no laboratório Link. "Não esperávamos ver nada. Foi uma surpresa completa quando coloquei esta amostra no microscópio e girei minha polarização da esquerda para a direita. - Estão ligando e desligando? Isso não deveria acontecer. "
A luz polarizada circularmente distribuída em um determinado ângulo para nanopartículas de ouro em forma de C produziu uma resposta plasmônica diferente de qualquer outra descoberta antes, de acordo com pesquisadores da Rice University. Quando a luz polarizada incidente foi trocada de canhoto (azul) para destro (verde) e vice-versa, a luz dos plasmons acendeu e apagou quase completamente. Crédito:Link Research Group / Rice University
Ela e o co-autor Kyle Smith, um ex-aluno recente do Rice, teve que ir fundo para descobrir por que eles viram essa "modulação gigante".
No começo, eles sabiam que o brilho da luz polarizada em um ângulo específico na superfície de sua amostra de nanopartículas de ouro anexadas a um substrato de vidro criaria um campo evanescente, uma onda eletromagnética oscilante que percorre a superfície do vidro e captura a luz como espelhos paralelos, um efeito conhecido como reflexão interna total.
Eles também sabiam que a luz polarizada circularmente é composta de ondas transversais. As ondas transversais são perpendiculares à direção em que a luz se move e podem ser usadas para controlar a saída plasmônica visível da partícula. Mas quando a luz é confinada, ondas longitudinais também ocorrem. Onde as ondas transversais se movem para cima e para baixo e de um lado para o outro, as ondas longitudinais parecem bolhas sendo bombeadas por um tubo (conforme ilustrado ao sacudir um Slinky).
Eles descobriram que a resposta plasmônica das nanopartículas de ouro em forma de C depende das interações fora de fase entre as ondas transversais e longitudinais no campo evanescente.
Para o catavento, os pesquisadores descobriram que podiam alterar a intensidade da saída de luz em até 50 por cento simplesmente mudando a direção da entrada de luz circularmente polarizada, mudando assim a fase relativa entre as ondas transversais e longitudinais.
Lauren McCarthy, estudante de graduação da Rice University, ajusta o polarizador que usou para descobrir uma forma fundamentalmente diferente de interação luz-matéria em experimentos com nanopartículas de ouro. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
Quando eles dividiram o experimento em indivíduos, Nanopartículas de ouro em forma de C, eles descobriram que a forma era importante para o efeito. Mudar a destreza da entrada polarizada fez com que as partículas ligassem e desligassem quase completamente.
Simulações do efeito feitas pelo físico de Rice, Peter Nordlander e sua equipe, confirmaram a explicação para o que os pesquisadores observaram.
"Sabíamos que tínhamos um campo evanescente e que poderia estar fazendo algo diferente, mas não sabíamos exatamente o que, "Disse McCarthy." Isso não ficou claro para nós até que concluíssemos as simulações, nos dizendo o que a luz era realmente excitante nas partículas, e ver que ele realmente corresponde à aparência do campo evanescente.
"Isso nos levou à conclusão de que isso não pode ser explicado pela forma como a luz normalmente opera, "ela disse." Tivemos que ajustar nossa compreensão de como a luz pode interagir com esses tipos de estruturas. "
A forma da nanopartícula desencadeia a orientação de três dipolos (concentrações de carga positiva e negativa) nas partículas, McCarthy disse.
Visto sob a lente objetiva de um microscópio, Os pesquisadores da Rice University descobriram que a luz polarizada circularmente - polarizada circularmente (RCP) destra é mostrada aqui - tinha a capacidade de modificar drasticamente a produção plasmônica de nanopartículas de ouro em forma de C. A entrada de luz desencadeou a modificação, mudando a relação de fase das ondas transversais e longitudinais em um campo evanescente que excita a partícula. Isso, por sua vez, controlou o nível de resposta plasmônica. A letra k representa a direção da entrada de luz na partícula depois que ela passa por um prisma. Crédito:Link Research Group / Rice University
"O fato de o meio anel ter um raio de curvatura de 100 nanômetros significa que toda a estrutura ocupa meio comprimento de onda de luz, "ela disse." Achamos que isso é importante para excitar os dipolos nesta orientação particular.
As simulações mostraram que inverter a direção da luz polarizada incidente e jogar as ondas fora de fase inverteu a direção do dipolo central, reduzindo drasticamente a capacidade do meio-anel de espalhar a luz sob o uso de uma mão só. A polarização do campo evanescente explica então o efeito quase completo de ligar e desligar das estruturas em forma de C.
"Interessantemente, de certa forma, fechamos o círculo com este trabalho, "Link disse." Superfícies de metal planas também suportam plasmons de superfície como nanopartículas, mas eles só podem ser excitados com ondas evanescentes e não se espalham no campo distante. Aqui descobrimos que a excitação de nanopartículas de formato específico usando ondas evanescentes produz plasmons com propriedades de espalhamento que são diferentes daqueles excitados com a luz do espaço livre. "
