Polarisations-krypteringsbaseret datalagring i 3D-Janus plasmoniske spiralformede nanoåbninger

Heliske plasmoniske nanostrukturer har tiltrukket betydelig opmærksomhed inden for materialevidenskab og kemi på grund af deres iboende optiske chiralitet. I en ny rapport, Yang Chen og et forskerhold i afdelingen for mekanisk og rumfartsteknik i USA udviklede unikke 3D-Janus (nanopartikler med to eller flere overfladeegenskaber) plasmoniske spiralformede nanoåbninger (spiralhuller), med retningskontrolleret polarisationsfølsomhed. De konstruerede spiralformede strukturer ved hjælp af et-trins gråtonefokuseret ionstrålefræsning (FIB). Chen et al. derefter kodet Janus-metasoverfladen med to nanoåbningsenantiomerer (venstre- og højrehåndede spejlbilledmolekyler af hinanden) med specifikke rotationsvinkler for at demonstrere retningskontrolleret polarisationsdatakryptering for første gang.

Prøverne konstrueret i arbejdet tillod selektiv transmission af visse typer polariseret lys, mens du blokerer andre. Denne følsomhed over for polarisering var afhængig af retningen af ​​det indgående lys; for eksempel, lys i en bestemt retning fik arrays til at producere binære billeder, hvorimod lys i den modsatte retning kunne gengive fotografier i gråtoner. Chen et al. forestille dig at bruge de foreslåede Janus spiralformede nanoåbninger til en række forskellige applikationer lige fra polariseringskontrol inden for indbyggede fotoniske enheder, avanceret enantiomerregistrering, datakryptering og dekryptering samt optisk informationsbehandling. De nye resultater er nu offentliggjort i Lys:Videnskab og applikationer .

Kiralitet blev først defineret af Lord Kelvin for at beskrive enhver geometrisk figur, hvis spejlbillede ikke kunne falde sammen med sig selv. Ejendommen er allestedsnærværende i biologiske objekter, der spænder fra små biomolekyler såsom aminosyrer og nukleotider til større makromolekyler, såsom proteiner og nukleinsyrer, og endda vores hænder og fødder. Mens venstre- og højrehåndede versioner af et molekyle kendt som enantiomerer kan have lignende kemiske og fysiske egenskaber, de kan udføre helt forskellige biologiske funktioner inden for forskellige anvendelsesområder.

Cirkulær dikroisme (CD) spektroskopi bruges typisk til at analysere chiroptikken for to enantiomerer, men kiropiske effekter er ekstremt svage i naturlige materialer. For at overvinde denne udfordring, forskere har tidligere udviklet kirale plasmoniske strukturer for væsentligt at øge cd -signaler fra chirale molekyler. Bortset fra dette formål, sådanne strukturer har også yderligere applikationer som miniaturepolarisatorer, ikke-lineær optik og spin-kontrollerede optiske enheder. Heliske plasmoniske nanostrukturer er vigtige, da den elektriske feltvektor af cirkulært polariseret lys (CPL) kan følge en spiralformet bane. Som resultat, stærke lysstofinteraktioner forventes, når helix -nanostrukturers rigtighed matcher CPL's. Imidlertid, det er udfordrende at fremstille sådanne spiralformede nanostrukturer i praksis.

Materialeforskere har tidligere brugt to-foton direkte laserskrivning efterfulgt af et galvaniseringstrin til at producere en 3-D plasmonisk helix, som havde rumlige opløsningsgrænser i mikroskalaen under applikationer i det synlige og nær-IR-spektrum. Tilsvarende fokuseret elektron/ion-stråleinduceret aflejring kunne skalere den spiralformede struktur til nanostrukturen, men metoden manglede hastighed til storstilet produktion. Som en konsekvens, litografifaciliteter med højopløsningsjustering og sarte operationer er på nuværende tidspunkt påkrævet for bekvemt og hurtigt at fremstille plasmoniske spiralformede nanostrukturer med kæmpe CD-signaler.

I det nuværende arbejde, Chen et al. ætset 3D-Janus plasmoniske spiralformede nanoåbninger på en enkelt, optisk tyk guldfilm med en bueformet blænde og en bueformet gradientrille forbundet ende-til-ende med hinanden. Baseret på dybden af ​​gradientrillen, som blev øget enten med eller mod uret, de kirale spiralformede nanoåbninger eksisterede i to enantiomeriske former som versioner "A" og "B", der var spejlsymmetriske for hinanden. Forskerne anvendte en høj dosis Ga ⁺ ioner under processen med fokuseret ionstrålefræsning og delikat justeret fokus og astigmatisme af ionstrålen for at danne 3-D spiralformede nanoåbningsarrays med tilfredsstillende ensartethed.

De studerede derefter de kiropiske egenskaber ved 3D-plasmoniske spiralformede nanoåbninger i fremadgående retning, da det cirkulært polariserede lys (CPL) blev belyst på guldoverfladen og transmitteret ud fra silicasubstratet inden for den eksperimentelle opsætning. Den numeriske simulering udført med COMSOL Multiphysics og de eksperimentelle resultater af undersøgelsen faldt sammen med hinanden, og Chen et al. krediterede eventuelle eksperimentelle uoverensstemmelser med fabrikationsfejl i FIB -systemet.

Forskerne modellerede 3D-spiralformede nanoåbninger som en række kaskadebue-formede bølgeledersegmenter for at opnå den forventede optiske kiralitet. Hvis CPL'ens (cirkulært polariserede lys) rethed matchede gradientrillens, den indkommende optiske effekt kunne opsamles i blændeområdet langs gradientrillen for at frembringe en stærk transmission i den eksperimentelle opsætning.

Chen et al. derefter bestemt de optiske egenskaber af 3D-Janus plasmoniske spiralformede nanoåbning i baglæns retning. For det, de belyste lyset ind i silicasubstratet for at sende det ud fra guldoverfladen for at opnå næsten samme intensitet i baglæns retning, resultaterne viste kæmpe lineær dikroisme (ikke cirkulær dikroisme) med cirkulært polariseret lys.

Baseret på disse resultater, Chen et al. kodede Janus metasurface for at konstruere et binært QR-kode (hurtigt svar) kodebillede i fremadgående retning under højrehåndet cirkulært polariseret (RCP) belysning. I det andet trin, de kodede et gråtonebillede i baglæns retning under lineært polariseret lys. De var i stand til at kryptere information på den samme Janus-metasurface uden gensidig forstyrrelse og afsløre QR-kodebilledet, når de kun belyste det højrehåndede lys i fremadgående retning for at dekryptere og oprette forbindelse til en kodet besked, der forbinder fysikeren Niels Bohrs Wikipedia-websted. Chen et al. testet bredbåndsydelsen på Janus metasurface for at skelne QR -kodebilledet ved hjælp af en QR -kodescanner ved 690 nm, op til 890 nm.

På denne måde, Chen et al. introducerede en ny type 3-D Janus plasmonisk nanoåbning ved hjælp af retningskontakt polarisationsfølsomhed. De fremstillede enheden ved hjælp af et-trins gråtoner FIB-fræsning. De unikke optiske egenskaber ved 3D-spiralformede nano-åbninger tillod dem at kryptere og dekryptere data ved hjælp af retningskontrolleret lyspolarisering. Arbejdet vil have yderligere, næste generations applikationer som multifunktionelle polarisatorer, skærme i høj opløsning og i optisk informationsbehandling.

© 2019 Science X Network