p Uma ilustração de como os metais, dielétricos, e os dielétricos eficazes respondem a um campo elétrico que varia lentamente. Dentro de cada sistema, o campo aplicado é oposto por um campo elétrico induzido gerado pelo acúmulo de cargas superficiais. (a) Em metais, os elétrons estão livres para se mover até que os campos aplicados e induzidos se cancelem em massa. Em dielétricos (b) e dielétricos eficazes (c), a carga superficial é gerada pela polarização dos (meta-) átomos ou (meta-) moléculas, e o campo induzido é mais fraco do que o campo aplicado. Crédito:Nature Communications, doi:10.1038 / s41467-019-09939-8
p Na ciência dos materiais, os componentes óticos acromáticos podem ser projetados com alta transparência e baixa dispersão. Cientistas de materiais mostraram que, embora os metais sejam altamente opacos, matrizes densamente compactadas de nanopartículas metálicas com mais de 75 por cento de metal em volume podem se tornar mais transparentes à radiação infravermelha do que dielétricos como o germânio. Tais matrizes podem formar dielétricos eficazes que são virtualmente livres de dispersão em faixas de comprimento de onda de banda ultralarga para projetar uma variedade de dispositivos ópticos baseados em metamateriais de próxima geração. p Os cientistas podem ajustar os índices de refração locais de tais materiais, alterando o tamanho, forma e espaçamento das nanopartículas para projetar lentes de índice gradiente que orientam e focalizam a luz na microescala. O campo elétrico pode ser fortemente concentrado nas lacunas entre as nanopartículas metálicas para a focalização e 'compressão' simultâneas do campo dielétrico para produzir fortes, pontos de acesso duplamente aprimorados. Os cientistas podem usar esses pontos de acesso para impulsionar as medições feitas usando espectroscopia infravermelha e outros processos não lineares em uma ampla faixa de frequência.
p Em um estudo recente agora publicado em
Nature Communications , Samuel J. Palmer e uma equipe de pesquisa interdisciplinar nos departamentos de Física, Matemática e Nanotecnologia no Reino Unido, Espanha e Alemanha, mostraram que dielétricos artificiais podem permanecer altamente transparentes à radiação infravermelha e observaram esse resultado mesmo quando as partículas eram nanoscópicas. Eles demonstraram que o campo elétrico penetra nas partículas (tornando-as imperfeitas para a condução) para que ocorram fortes interações entre elas em um arranjo compacto. Os resultados permitirão aos cientistas de materiais projetar componentes ópticos acromáticos para aplicações na região do comprimento de onda médio ao infravermelho.
p Palmer e colegas foram capazes de ajustar o índice de refração local desses componentes, alterando o tamanho, forma e espaçamento de nanopartículas com sensibilidade ao índice de refração local do ambiente circundante. Os cientistas aprimoraram o campo elétrico nas lacunas entre as nanopartículas metálicas na matriz e simultaneamente exploraram sua transparência, sintonia e alta fração de enchimento metálico para projetar uma lente de índice gradiente. O trabalho focou a luz na microescala e comprimiu o campo elétrico na nanoescala para produzir o hotspot de campo elétrico duplamente aprimorado em toda a região do infravermelho (IR). Os cientistas prevêem que o novo trabalho impulsionará as medições feitas usando espectroscopia de infravermelho e outros processos não lineares em uma ampla faixa de frequências.
p Permissividade efetiva de arranjos de nanopartículas metálicas. (a) A permissividade efetiva de uma matriz de nanocilindros de titânio (com diâmetro d =38 nm e separação superfície-superfície G =2 nm) para TE (curva vermelha) e TM (curva azul) luz polarizada em comparação com a permissividade de titânio sólido (curva tracejada). (b) A permissividade efetiva de nanoesferas de titânio, (d =20 nm, G =2 nm) para luz não polarizada. (c) O comprimento de penetração efetivo dos arranjos de nanopartículas pode exceder aquele dos dielétricos reais, como o germânio, mesmo para frações de enchimento metálico de até 75 por cento. Crédito:Nature Communications, doi:10.1038 / s41467-019-09939-8
p Os cientistas de materiais são atualmente capazes de desenvolver materiais novos e avançados; Contudo, nenhum novo material é verdadeiramente homogêneo em sua constituição. No entanto, a maioria dos materiais pode ser caracterizada usando propriedades microscópicas homogêneas, como índices de refração, em que as não homogeneidades atomísticas são menores do que os comprimentos de onda médios da luz óptica incidente no material. Os materiais construídos artificialmente, conhecidos como metamateriais, são descritos por um índice efetivo quando o material contém uma estrutura de comprimento de onda suficientemente baixo. Os primeiros metamateriais incluíam dielétricos artificiais compostos de matrizes em escala centimétrica de partículas metálicas capazes de guiar e focalizar ondas de rádio como um dielétrico. As partículas metálicas dos primeiros materiais dielétricos artificiais eram tão grandes que se comportavam como condutores perfeitos com alta transparência para as ondas de rádio. Uma pesquisa recente na ciência dos materiais visa construir dielétricos eficazes para o espectro visível e infravermelho usando matrizes de partículas metálicas em nanoescala. Os avanços na montagem de nanopartículas metálicas podem permitir uma engenharia sofisticada de interações luz-matéria sem precedentes no domínio óptico.
p No presente trabalho, Palmer et al. contrastou a transparência das matrizes de nanocilindros e nanoesferas (embora as nanopartículas possam ter outras formas) com o germânio, a fim de demonstrar que as matrizes podem guiar e focar a luz. Os arranjos de nanocilindros se comportaram como dielétricos eficazes com luz elétrica polarizada transversal; onde uma força transversal nos elétrons levou a cargas de superfície oscilantes que imitaram os dipolos oscilantes de um átomo em um dielétrico real.
p Em contraste, a resposta dos cilindros à luz polarizada magnética transversal foi semelhante ao metal em massa, já que os elétrons estavam livres para se mover sob a ação do campo elétrico longitudinal sem encontrar as superfícies do cilindro. As matrizes de nanoesferas no estudo se comportaram como dielétricos eficazes, independentemente da polarização incidente - focar os elétrons em qualquer direção para resultar em cargas de superfície que imitam os dipolos oscilantes de um dielétrico. Essas matrizes mostraram alta transparência em comparação com dielétricos reais como o germânio - mesmo quando o sistema tinha mais de 75 por cento de metal.
p Demonstrações experimentais e numéricas de matrizes metálicas transparentes. (a) Imagem microscópica de supercristal coloidal de ouro de 60 nm de diâmetro depositado em um substrato de Ge. (b) As partículas metálicas apresentam alta transparência no infravermelho. (c – e) Os dielétricos efetivos são transparentes o suficiente para atuar como lentes em escala micrométrica para a radiação infravermelha de comprimento de onda λ0 =2 μm, como mostrado pelos campos magnéticos próximos. Há uma boa concordância entre (d) a geometria total dos cilindros de titânio com diâmetro de 38 nm e lacuna superfície a superfície de 2 nm e (e) a geometria homogeneizada, neff =3,2 + 0,5i. Crédito:Nature Communications, doi:10.1038 / s41467-019-09939-8
p Para testar a precisão da teoria proposta, Palmer et al. produziu um supercristal coloidal altamente ordenado usando nanopartículas de ouro de 60 nm de diâmetro. Eles depositaram o supercral sobre um substrato de germânio e caracterizaram o material (propriedades físicas testadas) usando um espectrofotômetro UV-vis-NIR. Os cientistas observaram excelente transparência dos materiais, demonstrando a viabilidade de produzir metamateriais experimentalmente. Usando campos magnéticos próximos, eles mostraram que os dielétricos efetivos eram transparentes o suficiente para atuar como lentes em escala micrométrica para a radiação infravermelha. Apesar de conter 82 por cento de metal em volume, os cientistas observaram que quebrar o ouro sólido em uma série de nanocilindros de ouro produziu uma lente transparente capaz de focalizar a luz, muito semelhante ao comportamento de uma lente dielétrica homogênea.
p Transparência em função da profundidade do material da película. (a) O índice efetivo de uma matriz quadrada de nanocilindros, composto de alumínio, ouro, prata, e titânio. Inserção:a profundidade da película de cada metal, calculado usando o modelo de permissividade Lorentz – Drude. (b) Em um comprimento de onda fixo, é a razão entre o diâmetro da partícula e a profundidade da pele do metal que determina se as partículas se comportam como dipolos quase estáticos ou condutores perfeitos. O índice efetivo é notavelmente constante para d ≲ δs. Crédito:Nature Communications, doi:10.1038 / s41467-019-09939-8
p Os cientistas então compararam diferentes tipos de metais (alumínio, prata, ouro e titânio) para mostrar que os materiais com maior profundidade de pele produziram os arranjos de nanopartículas mais transparentes e menos dispersivos. Palmer et al. mostrou que em um comprimento de onda fixo, a razão entre o diâmetro da partícula e a profundidade da película do metal determinada se a partícula se comportaria como dipolos quase-partícula ou como condutores perfeitos.
p Além de alta transparência, os cientistas poderiam ajustar o sistema controlando o tamanho, forma e espaço das partículas. Por exemplo, Palmer et al. controlou a proporção de aspecto de matrizes de cilindros elípticos para mostrar que a resposta anisotrópica do material poderia ser ajustada. Os resultados numéricos mostraram que o índice efetivo pode ser facilmente ajustado para variar em mais de 50 por cento quando o sistema é girado. Assim, os cientistas foram capazes de ajustar o índice efetivo fixando as posições das partículas e ajustando seus tamanhos.
p ESQUERDA:O índice efetivo de nanocilindros de ouro como funções de proporção e tamanho de partícula. Numérica (linhas contínuas) e fórmula de mistura de Maxwell Garnett (traços). (a) As relações de aspecto de matrizes quadradas de cilindros eram variadas, enquanto mantém o volume e a separação superfície a superfície de cada cilindro constante, conforme mostrado nas inserções. O diâmetro não distorcido dos cilindros foi d =30 nm e o comprimento de onda incidente foi λ0 =200 μm. (b) Os cilindros foram colocados em uma rede triangular de comprimento de 50 nm, e seus diâmetros foram variados de 0 nm ≤ d ≤ 48 nm para um comprimento de onda incidente de λ0 =2 μm. À DIREITA:Projetando uma lente de índice gradiente com pontos de acesso "duplamente aprimorados". (a) Esquema de uma lente de índice de gradiente "concentrador" composta por nanocilindros de ouro em uma rede triangular com separação de site a site de 50 nm. (b) Perfil de índice efetivo da lente do concentrador, ideal (tracejado) e alcançado (sólido). (c) Os campos magnéticos próximos calculados usando a geometria efetiva e a geometria completa confirmam que as ondas planas estão focadas em direção à origem da lente. (d) Dentro do ponto focal da lente, a combinação de foco e compressão do campo elétrico produz pontos de acesso "duplamente aprimorados". Crédito:Nature Communications, doi:10.1038 / s41467-019-09939-8
p Para destacar este potencial para ajustar o índice efetivo local, Palmer et al. em seguida, construiu uma lente de índice gradiente (GRIN) usando redes triangulares de cilindros de ouro e variou os diâmetros dos cilindros com a posição. Usando a lente GRIN, os cientistas foram capazes de focar simultaneamente a luz na microescala e, em seguida, 'espremer' a luz na nanoescala para produzir o intenso, hotspots de campo elétrico "duplamente aprimorados". Ao contrário dos aprimoramentos plasmônicos, o efeito não dependia de ressonâncias com perdas, demonstrando propriedades de banda larga e de baixa perda.
p Eles mostraram que o ponto focal da lente GRIN tinha que coincidir com a região de empacotamento mais próximo para maximizar a compressão do campo elétrico. Ao contrário dos campos magnéticos que eram contínuos nas interfaces ar-metal do estudo, o campo elétrico fortemente localizado nas lacunas. Como resultado, comprimir um comprimento de onda de 2 µm em intervalos de 2 nm produziu fortes pontos de acesso de alta intensidade no estudo.
p Desta maneira, Palmer et al. construção de baixa perda, dielétricos eficazes de matrizes de nanopartículas metálicas. Os cientistas obtiveram matrizes altamente transparentes que excederam a transparência dos dielétricos reais, como o germânio; conhecido por sua transparência à radiação de baixa energia. Eles também foram capazes de ajustar localmente e controlar o tamanho, forma e espaço das partículas que formam os novos metamateriais. Os cientistas mostraram que o índice efetivo é essencialmente constante para todos os comprimentos de onda maiores que 2 µm. Este trabalho permitirá que cientistas de materiais projetem e desenvolvam dispositivos ópticos sofisticados com metamateriais que orientam ou aumentam a luz em uma ampla faixa de frequências, essencialmente sem um limite superior no comprimento de onda. p © 2019 Science X Network
