Pesquisadores relatam resposta óptica não linear aprimorada por ponta de banda larga em uma nanocavidade plasmônica
Figura 1. (a) Representação esquemática do experimento. O sinal SHG local é aprimorado pela irradiação de um pulso de laser infravermelho no nanogap plasmônico entre a ponta de ouro e o substrato de ouro. (b) Espectros SHG obtidos com nanogap plasmônico (vermelho) e sem (laranja), indicando que o sinal SHG é aumentado apenas quando a ponta é aproximada devido ao efeito de aprimoramento plasmônico exclusivo da nanocavidade substrato-ponta. Crédito:Toshiki Sugimoto Espremer a luz além do limite de difração e controlar os processos ópticos causados pela luz nano-confinada são questões centrais da nanofotônica. Em particular, a luz localizada e aprimorada nas nanogaps plasmônicas em microscópios de sonda de varredura nos fornece uma plataforma única para a obtenção de informações ópticas específicas do local em escala molecular/atômica.
Muito recentemente, não apenas a óptica linear, mas também a não linear, foi aplicada a essa nanoscopia com ponta aprimorada para obter maior sensibilidade e resolução espacial. Neste contexto, compreender as propriedades ópticas não lineares intrínsecas das nanocavidades plasmônicas é de importância crescente no controle mais preciso da óptica não linear nanométrica.
Pesquisadores liderados por Toshiki Sugimoto, professor associado do Instituto de Ciência Molecular, conseguiram elucidar as propriedades ópticas não lineares intrínsecas das nanocavidades plasmônicas de substrato de ponta. Combinando um sistema de laser de pulso de femtossegundo ajustável em comprimento de onda com um microscópio de tunelamento de varredura e focando no aprimoramento da ponta da geração de segundo harmônico (SHG), eles relataram uma resposta óptica não linear inesperadamente ampla e aprimorada na ponta em uma nanocavidade plasmônica (ver figura 1). Figura 2. (Painel superior) Micrografias eletrônicas de varredura das pontas usadas nas medições de SHG com ponta aprimorada. Vistas ampliadas das regiões indicadas por quadrados brancos em (a), (d) e (g) são mostradas em (b), (e) e (h), respectivamente. (Painel do meio) As intensidades do SHG aprimorado pela ponta obtidas para as pontas correspondentes. Diferenças estruturais no ápice da ponta em escala nanométrica e nos eixos da ponta em escala micrométrica dão origem à variação na propriedade espectral do aprimoramento de SHG. (Painel inferior) A dependência do comprimento de onda de excitação da intensidade de SHG aprimorada pela ponta calculada para as pontas mostradas no painel superior. Os resultados calculados capturam de forma excelente as características do SHG com ponta aprimorada observada. Crédito:Toshiki Sugimoto Eles demonstraram que o aprimoramento da ponta do SHG é mantido na faixa de comprimento de onda do visível ao infravermelho (ver figura 2a-c). Além disso, também foram verificados os efeitos geométricos proeminentes das pontas plasmônicas que dominam esta capacidade de aprimoramento de banda larga; a propriedade óptica não linear de banda larga das nanocavidades de substrato de ponta é significativamente influenciada não apenas pelas estruturas dos ápices das pontas nanométricas, mas também pelos eixos das pontas de tamanho micrométrico (ver figura 2d-i).
A origem desses efeitos geométricos foi revelada por simulações numéricas precisas de campos plasmônicos dentro de nanocavidades de substrato de ponta. Eles demonstraram teoricamente que as propriedades de SHG aprimoradas com ponta de banda larga podem ser significativamente alteradas em resposta a estruturas de ponta em escala nanométrica e micrométrica. As simulações que incorporam esta informação estrutural capturam de forma excelente o comportamento observado experimentalmente (ver figura 2j-l).
Uma análise mais detalhada destes resultados simulados revelou a origem dos efeitos geométricos no SHG com ponta melhorada; enquanto os eixos das pontas em escala micrométrica estendem a faixa espectral do aprimoramento do campo para as regiões do infravermelho próximo e médio, os ápices das pontas em escala nanométrica contribuem principalmente para aumentar a luz visível / infravermelha próxima. Isso indica que os eixos das pontas em escala micrométrica e os ápices das pontas em escala nanométrica permitem em conjunto o aprimoramento simultâneo da excitação do infravermelho médio/próximo e dos processos de radiação do infravermelho próximo/visível, respectivamente, realizando o SHG fortemente aprimorado na banda larga do visível ao infravermelho. região.
Esta demonstração da capacidade significativa de aprimoramento de banda larga dos nanogaps plasmônicos fornece uma nova base para o controle intencional de fenômenos ópticos não lineares específicos do local que são fundamentalmente acompanhados por uma conversão drástica de comprimento de onda. Além disso, as descobertas do grupo abrem caminho para o desenvolvimento de nanoscopia com ponta aprimorada de próxima geração, explorando vários processos ópticos não lineares.
Com base nestas novas técnicas, informações químicas e topográficas correlacionadas serão abordadas com sucesso com resolução espaço-temporal definitiva, promovendo pesquisas microscópicas de ponta em uma variedade de processos físicos, químicos e biológicos que ocorrem em ambientes heterogêneos.
Mais informações: Shota Takahashi et al, Resposta óptica não linear aprimorada por ponta de banda larga em uma nanocavidade plasmônica, The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c01343 Informações do diário: Jornal de Cartas de Físico-Química
Fornecido pelos Institutos Nacionais de Ciências Naturais
