Mørke plasmoner overfører energi

Mikroskopiske kanaler af guld nanopartikler har evnen til at transmittere elektromagnetisk energi, der starter som lys og forplanter sig via "mørke plasmoner, " ifølge forskere ved Rice University.

En ny artikel i tidsskriftet American Chemical Society Nano bogstaver viser, hvordan selv uordnede samlinger af nanopartikler i arrays så tynde som 150 nanometer kan omdannes til bølgeledere og transmittere signaler en størrelsesorden bedre end tidligere eksperimenter var i stand til at opnå. Effektiv energioverførsel på mikrometerskalaen kan i høj grad forbedre optoelektroniske enheder.

Stephan Links rislaboratorium, en assisterende professor i kemi og el- og computerteknik, har udviklet en måde at "printe" fine linjer af guld nanopartikler på glas. Disse linjer af nanopartikler kan transmittere et signal fra den ene nanopartikel til den næste over mange mikron, meget længere end tidligere forsøg og svarer nogenlunde til resultater set ved brug af guld nanotråde.

Komplekse bølgeledergeometrier er langt lettere at fremstille med nanopartikelkæder, sagde Link. Han og hans team brugte en elektronstråle til at skære små kanaler ind i en polymer på et glassubstrat for at give nanopartikellinjerne deres form. Guldnanopartiklerne blev aflejret i kanalerne via kapillærkræfter. Da resten af ​​polymeren og herreløse nanopartikler blev vasket væk, linjerne forblev, med partiklerne kun få nanometer fra hinanden.

Plasmoner er bølger af elektroner, der bevæger sig hen over overfladen af ​​et metal som vand i en dam, når de bliver forstyrret. Forstyrrelsen kan være forårsaget af en ekstern elektromagnetisk kilde, såsom lys. Tilstødende nanopartikler kobles med hinanden, hvor deres elektromagnetiske felter interagerer og tillader et signal at passere fra det ene til det næste.

Link sagde, at mørke plasmoner kan defineres som dem, der ikke har noget netto dipolmoment, hvilket gør dem ude af stand til at koble sig til lys. "Men disse tilstande er ikke helt mørke, især ved tilstedeværelse af uorden, " sagde han. "Selv for de subradiante tilstande, der er en lille dipoloscillation.

"Vores argument er, at hvis du kan koble til disse subradiante tilstande, spredningstabet er mindre, og plasmonudbredelsen opretholdes over længere afstande, " sagde Link. "Derfor, vi forbedrer energitransporten over meget længere afstande, end hvad der er blevet gjort før med metal-partikelkæder."

For at se hvor langt, Link og hans team coatede de 15 mikron lange linjer med et fluorescerende farvestof og brugte en fotoblegningsmetode udviklet i hans laboratorium til at måle, hvor langt plasmonerne, ophidset af en laser i den ene ende, udbrede sig. "Dæmpningen af ​​plasmonudbredelsen er eksponentiel, " sagde han. "Ved fire mikron, du har en tredjedel af den oprindelige intensitetsværdi.

"Mens denne udbredelsesafstand er kort sammenlignet med traditionelle optiske bølgeledere, i miniaturiserede kredsløb behøver man kun at dække små længdeskalaer. Det kan være muligt i sidste ende at anvende en forstærker til systemet, som ville forlænge udbredelsesafstanden, " sagde Link. "Med hensyn til, hvad folk troede var muligt med nanopartikelkæder, Det, vi har gjort, er allerede en væsentlig forbedring."

Link sagde, at sølv nanotråde har vist sig at bære en plasmonbølge bedre end guld, så langt som 15 mikron, omkring en sjettedel af bredden af ​​et menneskehår. "Vi ved, at hvis vi prøver sølv nanopartikler, vi kan forplante os meget længere og forhåbentlig gøre det i mere komplekse strukturer, " sagde han. "Vi kan muligvis bruge disse nanopartikelbølgeledere til at linke til andre komponenter såsom nanotråde i konfigurationer, som ellers ikke ville være mulige."