Teoretiske fysikere manipulerer lys med objekter i nanoskala

Årevis, videnskabsmænd har længe kæmpet med kontrol og manipulation af lys, en langvarig videnskabelig ambition med store implikationer for udviklingen af ​​teknologi. Med væksten i nanofotonik, forskere opnår fremskridt hurtigere end nogensinde ved at udnytte strukturer med dimensioner, der kan sammenlignes med lysets bølgelængde.

Forskere ved University of New Mexico, der studerer området nanofotonik, udvikler nye perspektiver, der aldrig er set før gennem deres forskning. På tur, forståelsen af ​​disse teoretiske begreber gør det muligt for fysiske forskere at skabe mere effektive nanostrukturer.

Forskningen, siger adjunkt Alejandro Manjavacas, i Institut for Fysik og Astronomi ved University of New Mexico i et papir med titlen "Hybridization of Lattice Resonances, " undersøger, hvordan periodiske arrays af nanosfærer eller atomer interagerer med lys. Disse systemer er lavet ved at gentage en enhedscelle periodisk, meget ligesom et skakbræt er lavet ved at gentage to forskelligt farvede firkanter i et mønster. Tidligere, størstedelen af ​​forskningen fokuserede kun på strukturer med enhedsceller lavet af et enkelt element, som om hver firkant på skakbrættet var en enkelt farve. Deres forskning går ud over dette, giver mulighed for et hvilket som helst antal farver, så længe de er arrangeret i et gentaget mønster.

"Mens de bidrager til den grundlæggende forståelse af et væld af nye fysiske fænomener, denne teoretiske forskningsindsats vil hjælpe med at forstå, hvordan lys interagerer med objekter i nanoskala og vil hjælpe med at sætte grundlaget for udviklingen af ​​nye mekanismer til at manipulere lys på nanoskala, som er nøglen til at realisere den næste generation af nanofotoniske applikationer, " siger Manjavacas i avisen, der for nylig blev offentliggjort i ACS Nano , en toppublikation inden for nanofotonik.

Det overordnede mål med forskningen var at åbne og videreføre nye veje inden for plasmonik, et forskningsfelt, der fokuserer på at forstå samspillet mellem lys og metalliske nanostrukturer, som har til formål at udvikle nye applikationer inden for nanofotonik. Som en del af dette arbejde, forskerne udviklede en kraftfuld model til at forstå, hvordan ordnede arrays af nanostrukturer interagerer med lys. Denne model kan bruges til at forudsige den optiske respons af ensembler af nanopartikler med meget komplicerede mønstre, som kan udnyttes til at konstruere optiske egenskaber, der er nyttige til mange applikationer:

"For eksempel, disse systemer kan udgøre en alsidig platform til udvikling af kompakte biosensorer, der er i stand til at overvåge, i realtid, niveauerne af forskellige stoffer, der er relevante for sundhedspleje, " sagde Manjavacas. "Videre, de kan også bruges til at forbedre ydeevnen af ​​solceller og til at designe mere effektive fotodetektorer."

Detaljerne

Som en del af forskningen Manjavacas og hans team komponeret af Sebastian Baur, en gæstende kandidatstuderende fra Tyskland, og Stephen Sanders, en kandidatstuderende i fysik og astronomi, undersøgte de optiske egenskaber af periodiske arrays af plasmoniske nanopartikler med multi-partikel enhedsceller. Specifikt, de søgte at forstå, hvordan geometrien af ​​komplekse arrangementer af plasmoniske nanostrukturer kan udnyttes til at kontrollere deres optiske reaktioner.

De studerede arrays sammensat af to-partikel enhedsceller, hvor interaktionen mellem de forskellige partikler kan annulleres eller maksimeres ved at kontrollere deres relative position i enhedscellen. De fandt også arrays, hvis respons kan gøres enten invariant i forhold til polariseringen af ​​det indfaldende lys eller stærkt afhængig af det. Begge disse eksempler viser, hvordan deres komplekse geometrier kan bruges til at udøve kontrol over arrayernes respons.

Manjavacas og hans team udforskede også systemer med tre- og fire-partikel enhedsceller, som et skakbræt med tre eller fire forskellige slags farvede firkanter, og viste, at de kan designes til at understøtte resonanser med komplekse responsmønstre, hvor forskellige grupper af partikler i enhedscellen kan exciteres selektivt.

"Resultaterne af dette arbejde tjener til at fremme vores forståelse af periodiske arrays af nanostrukturer og giver en metode til at designe periodiske strukturer med konstruerede egenskaber til applikationer i nanofotonik, sagde han. Især det viser vi, ved at kontrollere den relative position af partiklerne i enhedscellen, det er muligt fuldstændigt at manipulere systemets optiske respons."