Onderzoekers van Rice University hebben een fundamenteel andere vorm van licht-materie-interactie ontdekt in hun experimenten met gouden nanodeeltjes.

Ze waren er niet naar op zoek, maar studenten in het laboratorium van Rice-chemicus Stephan Link ontdekten dat het opwekken van de microscopische deeltjes precies goed een bijna perfecte modulatie van het licht dat ze verstrooien produceerde. De ontdekking kan nuttig worden bij de ontwikkeling van de volgende generatie, ultrakleine optische componenten voor computers en antennes.

Een artikel over het onderzoek verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano .

Het werk komt voort uit de gecompliceerde interacties tussen licht en plasmonische metaaldeeltjes die licht extreem efficiënt absorberen en verstrooien. Plasmonen zijn quasideeltjes, collectieve excitaties die in golven bewegen op het oppervlak van sommige metalen wanneer ze worden geëxciteerd door licht.

De Rice-onderzoekers bestudeerden pinwheel-achtige plasmonstructuren van C-vormige gouden nanodeeltjes om te zien hoe ze reageerden op circulair gepolariseerd licht en het roterende elektrische veld, vooral wanneer de handigheid, of de draairichting van de polarisatie, werd teruggedraaid. Ze besloten toen om individuele deeltjes te bestuderen.

"We hebben het terug gestript tot het eenvoudigst mogelijke systeem waarbij we maar één arm van het pinwheel hadden, met een enkele invallende lichtrichting, " zei Lauren McCarthy, een afgestudeerde student in het Link lab. "We verwachtten niets te zien. Het was een complete verrassing toen ik dit monster op de microscoop legde en mijn polarisatie van links naar rechts draaide. Ik had zoiets van, 'Gaan deze aan en uit?' Dat hoort niet te gebeuren."

Zij en co-hoofdauteur Kyle Smith, een recente Rice-alumnus, moesten diep gaan om erachter te komen waarom ze deze 'gigantische modulatie' zagen.

Aan het begin, ze wisten dat het schijnen van gepolariseerd licht onder een bepaalde hoek op het oppervlak van hun monster van gouden nanodeeltjes bevestigd aan een glazen substraat een verdwijnend veld zou creëren, een oscillerende elektromagnetische golf die op het glasoppervlak drijft en het licht vangt als parallelle spiegels, een effect dat bekend staat als een totale interne reflectie.

Ze wisten ook dat circulair gepolariseerd licht bestaat uit transversale golven. Transversale golven staan ​​loodrecht op de richting waarin het licht beweegt en kunnen worden gebruikt om de zichtbare plasmonische output van het deeltje te regelen. Maar als het licht beperkt is, Ook longitudinale golven komen voor. Waar transversale golven op en neer bewegen en van links naar rechts, longitudinale golven zien eruit als klodders die door een pijp worden gepompt (zoals geïllustreerd door een Slinky te schudden).

Ze ontdekten dat de plasmonische respons van de C-vormige gouden nanodeeltjes afhangt van de uit-fase interacties tussen zowel transversale als longitudinale golven in het verdwijnende veld.

Voor het radertje, de onderzoekers ontdekten dat ze de intensiteit van de lichtuitvoer met maar liefst 50 procent konden veranderen door simpelweg de handigheid van de circulair gepolariseerde lichtinvoer te veranderen, waardoor de relatieve fase tussen de transversale en longitudinale golven verandert.

Toen ze het experiment opsplitsten in individuele, C-vormige gouden nanodeeltjes, ze vonden de vorm belangrijk voor het effect. Door de handigheid van de gepolariseerde invoer te veranderen, werden de deeltjes bijna volledig in- en uitgeschakeld.

Simulaties van het effect door rijstfysicus Peter Nordlander en zijn team bevestigden de verklaring voor wat de onderzoekers zagen.

"We wisten dat we een vluchtig veld hadden en we wisten dat het iets anders zou kunnen doen, maar we wisten niet precies wat, "Zei McCarthy. "Dat werd ons pas duidelijk toen we de simulaties hadden gedaan, ons vertellen wat het licht eigenlijk opwindend was in de deeltjes, en zien dat het eigenlijk overeenkomt met hoe het vergankelijke veld eruit ziet.

"Het leidde tot ons besef dat dit niet kan worden verklaard door hoe licht normaal werkt, " zei ze. "We moesten ons begrip aanpassen van hoe licht kan interageren met dit soort structuren."

De vorm van het nanodeeltje veroorzaakt de oriëntatie van drie dipolen (concentraties van positieve en negatieve lading) op de deeltjes, zei McCarthy.

"Het feit dat de halve ring een kromtestraal van 100 nanometer heeft, betekent dat de hele structuur een halve golflengte licht in beslag neemt, "zei ze. "We denken dat dat belangrijk is voor het opwekken van de dipolen in deze specifieke oriëntatie."

De simulaties toonden aan dat het omkeren van de invallende gepolariseerde lichthandigheid en het uit fase gooien van de golven de richting van de centrale dipool omkeerde, drastisch verminderen van het vermogen van de halve ring om licht te verstrooien bij een incidentele handigheid. De polarisatie van het verdwijnende veld verklaart dan het bijna volledige aan- en uitzetten van de C-vormige structuren.

"Interessant, we hebben in zekere zin de cirkel rond met dit werk, Link zei. "Vlakke metalen oppervlakken ondersteunen ook oppervlakteplasmonen zoals nanodeeltjes, maar ze kunnen alleen worden opgewekt met verdwijnende golven en verspreiden zich niet in het verre veld. Hier ontdekten we dat de excitatie van specifiek gevormde nanodeeltjes met behulp van verdwijnende golven plasmonen produceert met verstrooiingseigenschappen die anders zijn dan die geëxciteerd met licht uit de vrije ruimte."