At se lyset:Forskere bringer plasmoniske nanofelter i fokus

I typiske plasmoniske enheder, elektromagnetiske bølger trænger sig ind i små metalstrukturer, at koncentrere energi i nanoskala dimensioner. På grund af kobling af elektronik og fotonik i disse metal nanostrukturer, plasmoniske enheder kunne udnyttes til højhastighedsdatatransmission eller ultrahurtige detektorarrays. Imidlertid, at studere plasmoniske felter i enheder i nanoskala udgør en reel vejspærring for videnskabsmænd, som at undersøge disse strukturer i sagens natur ændrer deres adfærd.

"Uanset om du bruger en laser eller en pære, lysets bølgelængde er stadig for stor til at studere plasmoniske felter i nanostrukturer. Hvad mere er, de fleste værktøjer, der bruges til at studere plasmoniske felter, vil ændre feltfordelingen - den adfærd, vi håber at forstå, " siger Jim Schuck, en stabsforsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), som arbejder i Imaging and Manipulation of Nanostructures Facility på Molecular Foundry.

Lysmikroskopi spiller en grundlæggende rolle i en videnskabsmands repertoire:Teknikken er nem at bruge og påfører ikke skade på et omhyggeligt udformet elektronisk kredsløb eller et delikat biologisk eksemplar. Imidlertid, et typisk objekt af interesse i nanoskala - såsom en DNA-streng eller en kvanteprik - er langt under bølgelængden af ​​synligt lys i størrelse, hvilket betyder, at evnen til at skelne et sådant objekt fra et andet, når de er tæt placeret, går tabt. Forskere udfordrer nu denne grænse ved at bruge 'lokaliserings' teknikker, som tæller antallet af fotoner, der kommer fra et objekt for at hjælpe med at bestemme dets position.

I tidligere arbejde, Schuck og kolleger på Molecular Foundry, et U.S. Department of Energy (DOE) Nanoscale Science Research Centre, konstruerede butterfly-formede plasmoniske enheder designet til at fange, filter og styrelys på nanoskala. Disse nano-farve sorteringsenheder tjente som antenner til at fokusere og sortere lys i små rum til et ønsket sæt af farver eller energier - afgørende for filtre og andre detektorer.

I dette seneste fremskridt, Schuck og hans Berkeley Lab-team brugte deres innovative billedbehandlingskoncept til at visualisere plasmoniske felter fra disse enheder med opløsning i nanoskala. Ved at afbilde fluorescens fra guld i sløjfebåndet og maksimere antallet af fotoner indsamlet fra deres sløjfe-enheder, holdet var i stand til at opsamle positionen af ​​plasmoniske tilstande - ladningssvingninger, der resulterer i optisk resonans - kun få nanometer fra hinanden.

"Vi spekulerede på, om der var en måde at bruge lys, der allerede er til stede i vores sløjfer - lokaliserede fotoner - til at undersøge disse felter og tjene som reporter, ” siger Schuck. "Vores teknik er også følsom over for ufuldkommenheder i systemet, såsom små strukturelle fejl eller størrelseseffekter, foreslår, at vi kunne bruge denne teknik til at måle ydeevnen af ​​plasmoniske enheder i både forsknings- og udviklingsmiljøer."

Parallelt med Schucks eksperimentelle resultater, Jeff Neaton, Direktør for Molecular Foundry's Theory of Nanostructured Materials Facility og Alex McLeod, en bachelorstuderende, der arbejder på støberiet, udviklet et webbaseret værktøjssæt, designet til at beregne billeder af plasmoniske enheder med open source-software udviklet ved Massachusetts Institute of Technology. Til denne undersøgelse, forskerne simulerede justering af strukturen af ​​en dobbeltsløjfeantenne med nogle få nanometer for at studere, hvordan ændring af størrelsen og symmetrien af ​​en plasmonisk antenne påvirker dens optiske egenskaber.

"Ved at flytte deres struktur med blot et par nanometer, vi kan fokusere lys på forskellige positioner inde i butterfly med bemærkelsesværdig sikkerhed og forudsigelighed, sagde McLeod. "Dette arbejde viser, at disse optiske antenner i nanoskala resonerer med lys, ligesom vores simuleringer forudsiger."

Nyttigt for forskere, der studerer plasmoniske og fotoniske strukturer, dette værktøjssæt vil være tilgængeligt til download på nanoHUB, en beregningsressource for nanovidenskab og teknologi skabt gennem National Science Foundations Network for Computational Nanotechnology.

"Dette arbejde eksemplificerer virkelig det allerbedste af, hvad Molecular Foundry handler om, " sagde Neaton, som også er fungerende vicedirektør for Berkeley Labs Materials Sciences Division. "Tre separate støberifaciliteter - billedbehandling, Nanofabrikation og teori - samarbejdede om et betydeligt fremskridt i vores forståelse af, hvordan synligt lys kan lokaliseres, manipuleret, og afbildet på nanoskala."

Et papir, der rapporterer denne forskning med titlen, "Ikke-perturbativ visualisering af plasmoniske feltfordelinger i nanoskala via fotonlokaliseringsmikroskopi, ” vises i Fysiske anmeldelsesbreve og er tilgængelig for abonnenter online. Samforfatter avisen sammen med Schuck, McLeod og Neaton var Alexander Weber-Bargioni, Zhaoyu Zhang, Scott Dhuey, Bruce Harteneck og Stefano Cabrini.

Dele af dette arbejde på Molecular Foundry blev støttet af DOE's Office of Science. Støtte til dette arbejde blev også leveret af National Science Foundation gennem Network for Computational Nanotechnology.