Исследователи из Университета Райса, изучающие влияние света на вертушки (слева) и одиночные C-образные (справа) наночастицы золота, обнаружили неизвестное влияние на отдельные частицы. Правильная стимуляция частиц производила почти идеальную модуляцию света, который они рассеивают через их плазмонный отклик. Открытие может стать полезным при разработке микросхем для оптических компонентов следующего поколения для компьютеров и антенн. Фото: Link Research Group / Университет Райса

Исследователи из Университета Райса обнаружили принципиально иную форму взаимодействия света с веществом в своих экспериментах с наночастицами золота.

Они не искали его, но студенты из лаборатории химика Райса Стефан Линк обнаружили, что возбуждение микроскопических частиц как раз приводит к почти идеальной модуляции света, который они рассеивают. Это открытие может стать полезным при разработке ультрамалых оптических компонентов следующего поколения для компьютеров и антенн.

Статья об исследовании опубликована в журнале Американского химического общества ACS Nano .

Работа проистекает из сложных взаимодействий между светом и плазмонными металлическими частицами, которые чрезвычайно эффективно поглощают и рассеивают свет. Плазмоны — это квазичастицы, коллективные возбуждения, которые движутся волнами на поверхности некоторых металлов при возбуждении светом.

Исследователи Райс изучали похожие на вертушки плазмонные структуры наночастиц золота в форме С, чтобы увидеть, как они реагируют на циркулярно поляризованный свет и его вращающееся электрическое поле, особенно когда происходит изменение направления руки или направление вращения поляризации. Затем они решили изучить отдельные частицы.

«Мы превратили его обратно в простейшую возможную систему, где у нас был только один рычаг вертушки с одним направлением падающего света», — сказала Лорен Маккарти, аспирант лаборатории Link. «Мы ничего не ожидали увидеть. Это было полной неожиданностью, когда я положил этот образец на микроскоп и повернул свою поляризацию слева направо. Я был как, "они включаются и выключаются?" Этого не должно быть ».

циркулярно-поляризованный свет, доставляемый под определенным углом к ​​С-образным золотым наночастицам, вызывал плазмонный отклик

По словам исследователей из Университета Райса, циркулярно-поляризованный свет, доставляемый под определенным углом к ​​С-образным золотым наночастицам, вызывал плазмонный отклик, непохожий на те, что были обнаружены ранее. Когда падающий поляризованный свет переключался с левого (синий) на правый (зеленый) и обратно, свет от плазмонов почти полностью включался и выключался. Фото: Link Research Group / Университет Райса

Она и ведущий автор Кайл Смит, недавний выпускник Райс, должны были углубиться, чтобы выяснить, почему они видели эту «гигантскую модуляцию».

Вначале они знали, что сияние поляризованного света под определенным углом на поверхности их образца золотых наночастиц, прикрепленных к стеклянной подложке, создаст затухающее поле, колеблющуюся электромагнитную волну, которая движется по поверхности стекла и захватывает свет как параллель зеркала, эффект, известный как полное внутреннее отражение.

Они также знали, что циркулярно поляризованный свет состоит из поперечных волн. Поперечные волны перпендикулярны направлению движения света и могут использоваться для контроля видимого плазмонного выхода частицы. Но когда свет ограничен, возникают и продольные волны. Там, где поперечные волны движутся вверх и вниз и из стороны в сторону, продольные волны выглядят как капли, прокачиваемые по трубе (как показано при встряхивании Слинки).

Они обнаружили, что плазмонный отклик наночастиц золота в форме С зависит от противофазных взаимодействий между поперечными и продольными волнами в мимолётном поле.

Что касается вертушки, исследователи обнаружили, что они могут изменить интенсивность светового потока на 50%, просто изменив управляемость входного сигнала с круговой поляризацией, тем самым изменив относительную фазу между поперечными и продольными волнами.

Аспирантка Университета Райса Лорен Маккарти настраивает поляризатор

Аспирантка Университета Райса Лорен Маккарти настраивает поляризатор, который она использовала, чтобы обнаружить принципиально другую форму взаимодействия света с веществом в экспериментах с наночастицами золота. Фото: Джефф Фитлоу / Университет Райса

Когда они разбили эксперимент на отдельные наночастицы С-образного золота, они обнаружили, что форма важна для эффекта. Изменение поляризованного входа привело к тому, что частицы практически полностью включались и выключались.

Моделирование эффекта физиком Райса Питером Нордландером и его командой подтвердило объяснение наблюдений исследователей.

«Мы знали, что у нас было мимолётное поле, и мы знали, что оно может делать что-то другое, но мы не знали точно, что», — сказал Маккарти. «Это не стало для нас ясным, пока мы не выполнили симуляции, рассказав нам о том, что на самом деле возбуждает свет в частицах, и увидев, что он действительно совпадает с тем, как выглядит мимолётное поле.

«Это привело к нашему пониманию, что это не может быть объяснено тем, как обычно работает свет», — сказала она. «Нам пришлось скорректировать наше понимание того, как свет может взаимодействовать с такого рода структурами».

Маккарти сказал, что форма наночастицы вызывает ориентацию трех диполей (концентрации положительного и отрицательного заряда) на частицах.

циркулярно поляризованный свет - правосторонняя циркулярно поляризованная

Как видно из объектива микроскопа, исследователи из Университета Райса обнаружили, что циркулярно поляризованный свет — правосторонняя циркулярно поляризованная (RCP) — обладает способностью резко изменять плазмонный выход наночастиц золота в форме C. Вход света вызвал модификацию, сдвигая фазовое соотношение поперечных и продольных волн в затухающем поле, возбуждающем частицу. Это в свою очередь контролировало уровень плазмонного ответа. Буква k обозначает направление подачи света на частицу после прохождения через призму. Фото: Link Research Group / Университет Райса

«Тот факт, что полукольцо имеет радиус кривизны 100 нанометров, означает, что вся структура занимает половину длины волны света», — сказала она. «Мы считаем, что это важно для возбуждения диполей в этой конкретной ориентации».

Моделирование показало, что изменение направленности падающего поляризованного света и выбрасывание волн не в фазе изменило направление на центральный диполь, резко уменьшив способность полукольца рассеивать свет при одноручном управлении. Затем поляризация мимолётного поля объясняет почти полный эффект включения и выключения С-образных структур.

«Интересно, что мы каким-то образом прошли полный цикл этой работы», — сказал Линк. «Плоские металлические поверхности также поддерживают поверхностные плазмоны, такие как наночастицы, но они могут возбуждаться только затухающими волнами и не рассеиваются в дальнем поле. Здесь мы обнаружили, что при возбуждении наночастиц особой формы с помощью затухающих волн образуются плазмоны с рассеивающими свойствами, которые отличаются от тех, которые возбуждаются светом в свободном пространстве ».

По материалам phys.org