Cartwheeling-lys afslører nyt optisk fænomen

En videnskabsmand vil måske gøre vognhjul, når han gør en opdagelse, men denne gang er selve opdagelsen afhængig af vognhjul.

Forskere ved Rice University har opdaget detaljer om en ny type polariseret lys-stof-interaktion med lys, der bogstaveligt talt vender ende over ende, når det forplanter sig fra en kilde. Deres fund kunne hjælpe med at studere molekyler som dem i lys-høstende antenner, der forventes at have enestående følsomhed over for fænomenet.

Forskerne observerede den effekt, de kalder trochoidal dikroisme i lyset spredt af to koblede dipolspredere, i dette tilfælde et par tæt anbragte plasmoniske metal nanorods, da de blev ophidset af det vogndrevne lys.

Den lyspolarisering, forskerne brugte, er fundamentalt forskellig fra den lineære polarisering, der får solbriller til at fungere, og proptrækker-lignende cirkulært polariseret lys, der bruges i cirkulær dikroisme til at studere konformationen af ​​proteiner og andre små molekyler.

I stedet for at tage en spiralformet form, lysfeltet er fladt, da det vognhjul – roterer enten med eller mod uret – væk fra kilden som en rullende hulahopring. Denne type lyspolarisering, kaldet trochoidal polarisering, er observeret tidligere, sagde Rice kandidatstuderende og hovedforfatter Lauren McCarthy, men ingen vidste, at plasmoniske nanopartikler kunne bruges til at se, hvordan det rullede.

"Nu ved vi, hvordan trochoidale polarisationer relaterer sig til eksisterende lys-stof-interaktioner, " sagde hun. "Der er forskel på at forstå lyset og dets fysiske egenskaber og at forstå lysets indflydelse på materien. Den differentielle interaktion med stof, baseret på materialets geometri, er det nye stykke her."

Opdagelsen af ​​Rice lab af kemiker Stephan Link er detaljeret i Procedurer fra National Academy of Sciences .

Forskerne ledte ikke specifikt efter trochoidal dikroisme. De genererede et flygtigt felt i en teknik, de udviklede til at studere chirale guldnanopartikler for at se, hvor rumligt begrænset, venstre- og højrehåndet cirkulært polariseret lys interagerede med stof. Frit udbredende cirkulært polariserede lysinteraktioner er nøglen til flere teknologier, inklusive 3D-briller lavet af materialer, der skelner mellem modsatte lyspolariseringer, men er ikke så velforståede, når lyset er begrænset til små rum ved grænseflader.

I stedet for det cirkulært polariserede lys, der blev brugt før, forfatterne ændrede den indfaldende lyspolarisering, der blev brugt for at generere et flygtigt felt med bølger. Forskerne fandt ud af, at de trochoidale polarisationer med uret og mod uret interagerede forskelligt med par af plasmoniske nanorods orienteret i 90 grader fra hinanden. Specifikt, bølgelængderne af lyset, som nanorodparrene spredte, ændrede sig, da den trochoidale polarisation ændrede sig fra med uret til mod uret, hvilket er et kendetegn ved dikroisme.

"Trochoidale bølger er blevet diskuteret, og forskellige grupper har undersøgt deres egenskaber og anvendelser, " sagde McCarthy. "Men, så vidt vi ved, ingen har observeret, at et materiales geometri kan muliggøre differentielle interaktioner med trochoidale bølger mod uret versus med uret."

Molekyler interagerer med lys gennem deres elektriske og magnetiske dipoler. Forskerne bemærkede, at molekyler med elektriske og magnetiske dipoler, der er vinkelrette på hinanden, som med 90-graders nanopartikler, har ladningsbevægelse, der roterer i planet, når den er exciteret. Trochoidal dikroisme kunne bruges til at bestemme retningen af ​​denne rotation, som ville afsløre molekylær orientering.

Spændende selvsamlede guld nanorod-dimerer afslørede også subtile trochoidale dikroisme-effekter, at vise fænomenet er ikke begrænset til strengt fremstillede nanopartikler arrangeret i 90 grader.

"Efter at have arbejdet med polariseret lys, der interagerer med plasmoniske nanostrukturer i lang tid nu, den nuværende opdagelse er bestemt speciel på flere måder, " sagde Link. "At finde en ny form for interaktion med polariseret lysstof er spændende i sig selv. Lige så givende var processen med opdagelsen, selvom, som Lauren og min tidligere elev, Kyle Smith, pressede mig til at følge med i deres resultater. Til sidst var det en rigtig teamindsats fra alle medforfattere, som jeg er meget stolt af."