Guld nanopartikelkæder begrænser lyset til nanoskalaen

Et tværfagligt team på Centre d'Elaboration de Matériaux et d'Etudes Structurales (CEMES, CNRS), arbejder i samarbejde med fysikere i Singapore og kemikere i Bristol (Storbritannien), har vist, at krystallinske guldnanopartikler, der er justeret og derefter smeltet sammen i lange kæder, kan bruges til at begrænse lysenergi ned til nanometerskalaen, mens de tillader dens langrækkende udbredelse. Deres arbejde blev offentliggjort online på hjemmesiden for Naturmaterialer den 26. oktober.

Lys kan bruges til at overføre information. Denne ejendom er, for eksempel, bruges i fiberoptik, og giver et interessant alternativ til mikroelektronik. Brug af lys øger transmissionshastighederne og reducerer energitabet forårsaget af opvarmning, når der bruges et elektrisk signal. Imidlertid, der mangler flere hindringer, især miniaturisering:optisk fiber gør det vanskeligt at begrænse lyset inden for volumener på mindre end en mikrometer (10 ^-6 meter).

Elektroner bevæger sig frit gennem metaller og begynder nogle gange at svinge kollektivt på deres overflade under påvirkning af lys, som i ædle metaller som guld og sølv. Egenskaberne ved sådanne kollektive svingninger, kendt som plasmoner, har i de sidste tyve år banet vejen for subbølgelængde (dvs. mindre end en mikrometer) indeslutning af lysenergi. Ved at overføre energien fra fotoner til elektroner i bevægelse er det muligt at transportere information i strukturer, der er smallere end optiske fibre. For at nå endnu større indespærring, plasmonics fokuserer nu på de optiske egenskaber af krystallinske nanopartikler. Den glatte krystallinske overflade forhindrer forstyrrelse af elektronsvingningerne og reducerer energitab. Udnyttelse af sådanne nanopartiklers egenskaber skulle derfor gøre det muligt på én gang at opnå indeslutninger i nanometerområdet og langdistancetransport af information.

I dette studie, forskerne viste, at når guldnanopartikler med en diameter på ti nanometer er opstillet i en kæde, de plasmoner, de bærer, genererer specifikke svingninger, der bidrager til stærkt begrænset formering. Imidlertid, energi går tabt ved hver passage mellem to nanopartikler. Selvom denne egenskab kan udnyttes til visse applikationer, der kræver meget lokale varmekilder, især inden for medicin, det er ikke befordrende for langdistanceformering.

Forskerne fusionerede derfor omhyggeligt nano-perlerne ved at fokusere en højenergi-elektronstråle på dem, derved danner et kontinuerligt krystallinsk netværk. De observerede, at energitabet blev reduceret, og at plasmonerne var frie til at oscillere over meget lange afstande, mens de forbliver begrænset inden for nanopartiklernes diameter. Inden for denne perlestreng, som er kun ti nanometer bred, information kan rejse så langt som 4000 nanometer.

En anden udfordring, der med succes blev opfyldt i denne undersøgelse, var at kortlægge, med enestående præcision, elektronoscillationerne observeret ved overfladen af ​​nanopartikelkæden. Plasmons forskellige bevægelsestyper blev karakteriseret ved hjælp af en mikroskopiteknik kaldet elektronenergitabspektroskopi (EELS), hvis meget fine rumlige og spektrale opløsning gjorde det muligt for forskerne at foreslå en ny teoretisk model for plasmonadfærd. Simuleringer baseret på denne model gengiver eksperimenterne med hidtil uset nøjagtighed.

Dette arbejde, som var resultatet af et langsigtet samarbejde med teams i Bristol og Singapore, kunne føre til ekstrem miniaturisering af lysstyring og åbne vejen for applikationer til sensorer, for eksempel inden for solcelleanlæg, og inden for telekommunikation.