Em uma nova publicação da Avanços Opto-Eletrônicos, os grupos de pesquisa do Professor Zhong-Qun Tian da Universidade de Xiamen, Xiamen, China e Professor Huigao Duan da Universidade de Hunan Changsha, China discutem antenas rômbicas nanoponte que suportam modos plasmônicos dipolares e de alta ordem com hotspots sobrepostos espacialmente no infravermelho médio.
Antenas de infravermelho médio (MIRAs), muitas vezes construídas a partir de metais (por exemplo, Au, Al ou Ag), semicondutores III-V altamente dopados, grafeno dopado por elétrons ou nanoestruturas baseadas em phonon-polariton, suportam ressonância óptica no espectro do infravermelho médio (400 a 4000 cm−1). Os MIRAs podem atuar como antenas receptoras, concentrando assim os feixes de infravermelho médio do espaço livre para regiões de nanoescala (denominadas como hotspots) nas proximidades da superfície dos MIRAs. Os MIRAs também podem atuar como antenas transmissoras para amplificar direcionalmente a radiação térmica produzida pelo aquecimento local de fontes acopladas aos MIRAs. Essas características impressionantes dos MIRAs inspiraram uma ampla gama de investigações de suas potenciais aplicações para espectroscopia de absorção infravermelha de superfície (SEIRA) levando a sensibilidades ultra-altas (até centenas de osciladores), para sensores biológicos e químicos na região do infravermelho médio, para engenharia de forma de feixe de lasers em cascata quântica e para fotodetectores altamente responsivos com absorção aprimorada e eficiência de coleta de fotoportadores no infravermelho médio. Os elementos centrais para as aplicações de alto desempenho são as micro e nanoestruturas MIRA, mas o desenvolvimento de estruturas MIRA está muito atrás das nanoestruturas de antenas ópticas na faixa espectral visível.

As estruturas de antena dipolar de braço único estão entre as MIRAs mais clássicas, geralmente consistindo em hastes de ouro com comprimentos de onda ressonantes ajustáveis, ajustando o comprimento das hastes. Além disso, antenas dipolares de braço duplo com lacunas do tamanho de nanômetros (nanogaps), como dímeros de haste de ouro, também foram desenvolvidas devido à força dos fatores de aprimoramento de campo local em seus nanogaps. No entanto, as antenas dipolares de braço único e de braço duplo geralmente suportam apenas o modo de ressonância dipolar, que é um modo fundamental e de banda estreita com uma largura de banda típica em torno de 200–500 cm−1. Normalmente, os modos de alta ordem em braço único ou braço duplo são tipicamente muito fracos nos espectros ópticos. Este recurso limita a aplicação que exige múltiplas ressonâncias na região MIR.

Para obter MIRAs multibanda, várias micro e nanoestruturas além de antenas de braço único ou duplo foram projetadas, entre elas, nanocruzes de ouro, estruturas de nanoabertura, microestruturas fractais, estruturas trapezoidais log-periódicas e antenas dipolares com comprimentos múltiplos. Essas estruturas podem ser categorizadas em micro e nanoestruturas que suportam vários modos dipolares. Fundamentalmente, é um desafio de longo prazo desenvolver antenas de braço único ou de braço duplo que suportem modos plasmônicos fundamentais e de alta ordem pronunciados simultaneamente, como um modo quadrupolar.

O grupo de pesquisa do professor Zhong-Qun Tian da Universidade de Xiamen e do professor Huigao Duan da Universidade de Hunan projetou e fabricou uma antena rômbica nanoponte multiescala (NBRA, Fig. 1a) que suportava duas ressonâncias dominantes no MIR (Fig. 1b), incluindo um banda de plasmon de transferência de carga (CTP) e uma banda de plasmon dipolar em ponte (BDP) que se parece com uma ressonância quádrupla. Essas atribuições são evidenciadas por imagens de microscopia óptica de campo próximo de varredura do tipo espalhamento (s-SNOM) e simulações eletromagnéticas. Comparando com outras estruturas nanobridged, tais como nanobridged-disks ou retângulos, o NBRA mostra distintas ressonâncias multibanda na região do infravermelho médio nos espectros de extinção simulados. Além disso, os hotspots do NBRA estão localizados nas extremidades da estrutura, enquanto os hotspots de nanobridged-discos ou retângulos na ressonância CTP são distribuídos dispersivamente. A banda de alta ordem só ocorre com ponte de tamanho nanométrico (nanobridge) ligada a uma extremidade do braço rômbico que atua principalmente como a indutância e a resistência pela análise do circuito RLC. Além disso, os principais hotspots associados às duas bandas ressonantes são sobrepostos espacialmente, permitindo aumentar o campo local para ambas as bandas por acoplamento multiescala. Com grandes aprimoramentos de campo, a detecção multibanda com alta sensibilidade a uma monocamada de moléculas é alcançada ao usar a espectroscopia SEIRA. Este trabalho fornece uma nova estratégia para ativar modos de alta ordem para projetar MIRAs multibanda com nanobridges e nanogaps para aplicações MIR como SEIRAs multibanda, detectores IR e modelagem de feixe de lasers em cascata quântica no futuro. + Explorar mais

Engenharia de fluorescência de molécula única com nano-antenas assimétricas