Pesquisadores da Universidade de Ottawa desmascararam o mito de uma década de que os metais são inúteis na fotônica - a ciência e a tecnologia da luz - com suas descobertas, publicado recentemente em Nature Communications, espera-se que leve a muitas aplicações no campo da nanofotônica.

"Quebramos o recorde do fator de qualidade de ressonância (fator Q) de uma matriz periódica de nanopartículas de metal em uma ordem de magnitude em comparação com relatórios anteriores, "disse a autora sênior Dra. Ksenia Dolgaleva, Cátedra de Pesquisa do Canadá em Fotônica Integrada (Tier 2) e Professor Associado da Escola de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) da Universidade de Ottawa.

"É um fato bem conhecido que os metais têm muitas perdas quando interagem com a luz, o que significa que eles causam a dissipação de energia elétrica. As altas perdas comprometem seu uso em ótica e fotônica. Demonstramos ressonâncias Q ultra-alto em uma metassuperfície (uma superfície artificialmente estruturada) composta por uma série de nanopartículas de metal incorporadas dentro de um substrato de vidro plano. Essas ressonâncias podem ser usadas para manipulação de luz eficiente e interação de luz-matéria aprimorada, mostrando que metais são úteis em fotônica. "

"Em trabalhos anteriores, pesquisadores tentaram mitigar o efeito adverso de perdas para acessar propriedades favoráveis ​​de matrizes de nanopartículas de metal, "observou o co-autor principal do estudo Md Saad Bin-Alam, estudante de doutorado em uOttawa na EECS.

"Contudo, suas tentativas não proporcionaram uma melhoria significativa nos fatores de qualidade das ressonâncias das matrizes. Implementamos uma combinação de técnicas em vez de uma única abordagem e obtivemos uma melhoria de ordem de magnitude demonstrando uma matriz de nanopartículas de metal (metassuperfície) com um fator de qualidade recorde. "

De acordo com os pesquisadores, superfícies estruturadas - também chamadas de metassuperfícies - têm perspectivas muito promissoras em uma variedade de aplicações nanofotônicas que nunca podem ser exploradas usando materiais a granel naturais tradicionais. Sensores, nanolasers, modelagem e direcionamento do feixe de luz são apenas alguns exemplos das muitas aplicações.

"Metasuperfícies feitas de nanopartículas de metal nobre - ouro ou prata, por exemplo - possuem alguns benefícios únicos em relação às nanopartículas não metálicas. Elas podem confinar e controlar a luz em um volume em nanoescala que é inferior a um quarto do comprimento de onda da luz (menos de 100 nm , enquanto a largura de um cabelo é superior a 10.000 nm), "explicou Md Saad Bin-Alam.

"Interessantemente, ao contrário das nanopartículas não metálicas, a luz não está confinada ou presa dentro das nanopartículas de metal, mas está concentrada perto de sua superfície. Este fenômeno é cientificamente chamado de 'ressonâncias de plasmon de superfície localizada (LSPRs)'. Este recurso oferece uma grande superioridade às nanopartículas de metal em comparação com suas contrapartes dielétricas, porque se poderia explorar essas ressonâncias de superfície para detectar bioorganismos ou moléculas na medicina ou na química. Também, tais ressonâncias de superfície poderiam ser usadas como o mecanismo de feedback necessário para o ganho do laser. Desta forma, pode-se perceber um minúsculo laser em nanoescala que pode ser adotado em muitas aplicações nanofotônicas futuras, como detecção e alcance de luz (LiDAR) para a detecção de objetos em campo distante. "

De acordo com os pesquisadores, a eficiência dessas aplicações depende dos fatores Q ressonantes.

"Infelizmente, devido à alta perda 'absortiva' e 'radiativa' em nanopartículas de metal, os fatores Q do LSPR são muito baixos, "disse o co-autor principal, Dr. Orad Reshef, um pós-doutorado no Departamento de Física da Universidade de Ottawa.

"Mais de uma década atrás, os pesquisadores encontraram uma maneira de mitigar a perda dissipativa organizando cuidadosamente as nanopartículas em uma rede. A partir de tal manipulação de 'rede de superfície', uma nova 'ressonância de rede de superfície (SLR)' emerge com perdas suprimidas. Até o nosso trabalho, os fatores Q máximos relatados em SLRs foram em torno de algumas centenas. Embora esses SLRs relatados anteriormente fossem melhores do que os LSPRs de baixo Q, eles ainda não eram muito impressionantes para aplicações eficientes. Isso levou ao mito de que os metais não são úteis para aplicações práticas. "

Um mito que o grupo conseguiu desconstruir durante seu trabalho no Complexo de Pesquisa Avançada da Universidade de Ottawa entre 2017 e 2020.

"Inicialmente, realizamos modelagem numérica de uma metassuperfície de nanopartículas de ouro e ficamos surpresos ao obter fatores de qualidade de vários milhares, "disse Md Saad Bin-Alam, que projetou principalmente a estrutura da metassuperfície.

"Este valor nunca foi relatado experimentalmente, e decidimos analisar o porquê e tentar uma demonstração experimental de um Q tão alto. Observamos um SLR de Q muito alto de valor de quase 2.400, que é pelo menos 10 vezes maior do que as maiores SLRs Q relatadas anteriormente. "

Uma descoberta que os fez perceber que ainda há muito o que aprender sobre os metais.

"Nossa pesquisa provou que ainda estamos longe de conhecer todos os mistérios ocultos das nanoestruturas metálicas (plasmônicas), "concluiu o Dr. Orad Reshef, quem fabricou a amostra da metassuperfície. “Nosso trabalho desmascarou um mito de uma década de que tais estruturas não são adequadas para aplicações ópticas da vida real devido às grandes perdas. por meio da engenharia adequada da nanoestrutura e da condução cuidadosa de um experimento, pode-se melhorar o resultado significativamente. "

O papel, "Ressonâncias de Q ultra-alto em metassuperfícies plasmônicas, "é publicado em Nature Communications .