In typische plasmonische apparaten, elektromagnetische golven dringen zich samen in kleine metalen constructies, het concentreren van energie in dimensies op nanoschaal. Door koppeling van elektronica en fotonica in deze metalen nanostructuren, plasmonische apparaten kunnen worden gebruikt voor snelle gegevensoverdracht of ultrasnelle detectorarrays. Echter, het bestuderen van plasmonische velden in apparaten op nanoschaal vormt een echte wegversperring voor wetenschappers, als het onderzoeken van deze structuren inherent hun gedrag verandert.

“Of je nu een laser of een gloeilamp gebruikt, de golflengte van licht is nog te groot om plasmonische velden in nanostructuren te bestuderen. Wat meer is, de meeste instrumenten die worden gebruikt om plasmonische velden te bestuderen, zullen de veldverdeling veranderen - het gedrag dat we hopen te begrijpen, " zegt Jim Schuck, een stafwetenschapper bij het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) die werkt in de Imaging and Manipulation of Nanostructures Facility bij de Molecular Foundry.

Lichtmicroscopie speelt een fundamentele rol in het repertoire van een wetenschapper:de techniek is gemakkelijk te gebruiken en brengt geen schade toe aan een zorgvuldig vervaardigd elektronisch circuit of delicaat biologisch exemplaar. Echter, een typisch object van belang op nanoschaal, zoals een DNA-streng of een kwantumdot, is qua grootte ver onder de golflengte van zichtbaar licht, wat betekent dat het vermogen om het ene object van het andere te onderscheiden wanneer ze dicht bij elkaar staan, verloren gaat. Wetenschappers dagen deze limiet nu uit met behulp van 'lokalisatie'-technieken, die het aantal fotonen tellen dat uit een object komt om zijn positie te helpen bepalen.

In eerder werk, Schuck en collega's van de Molecular Foundry, een U.S. Department of Energy (DOE) Nanoscale Science Research Centers, ontworpen vlinderdasvormige plasmonische apparaten ontworpen om te vangen, filter en stuur licht op nanoschaal. Deze nano-kleurensorteerapparaten dienden als antennes om licht in kleine ruimtes te focussen en te sorteren op een gewenste reeks kleuren of energieën - cruciaal voor filters en andere detectoren.

In dit laatste voorschot, Schuck en zijn Berkeley Lab-team gebruikten hun innovatieve beeldvormingsconcept om plasmonische velden van deze apparaten te visualiseren met een resolutie op nanoschaal. Door fluorescentie van goud in de vlinderdas af te beelden en het aantal fotonen dat van hun vlinderdasjes wordt verzameld te maximaliseren, het team was in staat om de positie van plasmonische modi te achterhalen - oscillaties van lading die resulteren in optische resonantie - op slechts enkele nanometers van elkaar.

"We vroegen ons af of er een manier was om licht dat al aanwezig was in onze vlinderdassen - gelokaliseerde fotonen - te gebruiken om deze velden te onderzoeken en als verslaggever te dienen, ’, zegt Schuk. “Onze techniek is ook gevoelig voor onvolkomenheden in het systeem, zoals kleine structurele gebreken of grootte-effecten, wat suggereert dat we deze techniek zouden kunnen gebruiken om de prestaties van plasmonische apparaten te meten in zowel onderzoeks- als ontwikkelingsomgevingen."

Parallel aan de experimentele bevindingen van Schuck, Jef Neton, Directeur van de Molecular Foundry's Theory of Nanostructured Materials Facility en Alex McLeod, een student die bij de Foundry werkt, ontwikkelde een webgebaseerde toolkit, ontworpen om afbeeldingen van plasmonische apparaten te berekenen met open-source software die is ontwikkeld aan het Massachusetts Institute of Technology. Voor deze studie is de onderzoekers simuleerden het aanpassen van de structuur van een dubbele vlinderdasantenne met enkele nanometers om te bestuderen hoe het veranderen van de grootte en symmetrie van een plasmonische antenne de optische eigenschappen beïnvloedt.

“Door hun structuur met slechts enkele nanometers te verschuiven, we kunnen het licht met opmerkelijke zekerheid en voorspelbaarheid op verschillende posities in de vlinderdas concentreren, ', aldus McLeod. "Dit werk toont aan dat deze optische antennes op nanoschaal resoneren met licht, net zoals onze simulaties voorspellen."

Nuttig voor onderzoekers die plasmonische en fotonische structuren bestuderen, deze toolkit zal beschikbaar zijn om te downloaden op nanoHUB, een computationele bron voor nanowetenschap en technologie gecreëerd via het National Science Foundation's Network for Computational Nanotechnology.

"Dit werk is echt een voorbeeld van het allerbeste waar de Molecular Foundry over gaat, ’ zei Neaton, die ook waarnemend adjunct-directeur is van de Materials Sciences Division van Berkeley Lab. “Drie afzonderlijke Foundry-faciliteiten—Imaging, Nanofabricage en theorie - werkten samen aan een aanzienlijke vooruitgang in ons begrip van hoe zichtbaar licht kan worden gelokaliseerd, gemanipuleerd, en in beeld gebracht op nanoschaal.”

Een paper waarin dit onderzoek wordt gerapporteerd met de titel, "Niet-perturbatieve visualisatie van plasmonveldverdelingen op nanoschaal via fotonlokalisatiemicroscopie, ” verschijnt in Fysieke beoordelingsbrieven en is online beschikbaar voor abonnees. Co-auteur van het artikel met Schuck, McLeod en Neaton waren Alexander Weber-Bargioni, Zhaoyu Zhang, Scott Dhuey, Bruce Harteneck en Stefano Cabrini.

Delen van dit werk bij de Molecular Foundry werden ondersteund door DOE's Office of Science. Ondersteuning voor dit werk werd ook verleend door de National Science Foundation via het Network for Computational Nanotechnology.