Raman-spectroscopie is een krachtige techniek voor het analyseren van atomaire structuur op basis van de inelastische verstrooiing van licht van moleculen, met diverse toepassingen, waaronder medische beeldvorming en chemische detectie. Onderzoekers hebben ontdekt dat nanostructuren het effect van Raman-verstrooiing kunnen versterken en zo de gevoeligheid van de Raman-techniek kunnen verbeteren. Akoestische trillingen kunnen het Raman-verstrooiingseffect verder versterken door collectieve elektronenoscillaties op te wekken, bekend als oppervlakteplasmonen, die bijdragen aan lichtverstrooiing. Vooral, het is aangetoond dat verstrooiing kan worden versterkt door nanodeeltjes te laten trillen naast speciaal gebouwde resonatoren, maar tot nu toe was er een beperkt begrip van de interacties die plaatsvinden tijdens dergelijke trillingen.

Sudhiranjan Tripathy en medewerkers van het A*STAR Institute of Material Research and Engineering, in samenwerking met Adnen Mlayah en collega's van het Nationaal Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (CNRS) in Frankrijk, hebben nu ontdekt hoe interacties tussen de oppervlakteplasmonen geproduceerd door een triade van gouden nanodiscs en akoestische trillingen in sferische gouden nanodeeltjes de Raman-verstrooiingseffecten kunnen versterken.

"We hebben de dynamische eigenschappen van metalen objecten op nanoschaal onderzocht, ', zegt Tripathie. "De koppelingsmechanismen tussen akoestische trillingen en oppervlakteplasmonen zijn niet goed begrepen en moeten zowel theoretisch als experimenteel worden onderzocht, dus we concentreerden ons op dit gebied, onze expertise in nanofabricage combineren met optische spectroscopie.”

Tripathy en zijn collega's maten Raman-verstrooiing van de gouden nanodeeltjes met en zonder de gouden 'trimeren' op hun plaats. Het team observeerde een significante toename van de verstrooiingsintensiteit wanneer de trillende nanodeeltjes werden gekoppeld aan de trimeerresonatoren. De trimeren werken effectief als luidsprekers, het versterken van de verstrooiing van licht van de deeltjes (zie afbeelding). "De verbetering van de verstrooiing van licht stelde ons in staat om acht Raman-kenmerken te meten die verband houden met de vibratiemodi van de bolvormige gouden nanodeeltjes, ', zegt Mlayah. “Meestal, slechts twee of drie kenmerken worden waargenomen in standaard laagfrequente Raman-experimenten."

De verbeterde verstrooiingsintensiteit is toegeschreven aan 'hot spots' in het elektrische veld van de trimeren, wat leidt tot verdere excitatie van de plasmonen. Eerdere studies hebben zich alleen gericht op nanodeeltjes als de bron van oppervlakteplasmonen, en bewaakte de verstrooiingsreactie op trillingen op dat object alleen. Dit is de eerste studie waarbij twee verschillende bronnen worden gebruikt - akoestische trillingen en oppervlakteplasmonen - om gunstige effecten te produceren.

Door oppervlakteplasmonen op deze manier te ontwerpen, de onderzoekers kunnen strakke controle krijgen over verstrooiingseigenschappen. "Ons toekomstige werk op dit gebied omvat toepassingen in chemische detectie en biosensoren, ', zegt Tripathie.