Lys udløser guld på uventet vis

Forskere fra Rice University har opdaget en fundamentalt anderledes form for lys-stof-interaktion i deres eksperimenter med guldnanopartikler.

De ledte ikke efter det, men studerende på Rice-kemikeren Stephan Link's laboratorium fandt ud af, at spændende de mikroskopiske partikler helt rigtige producerede en næsten perfekt modulering af det lys, de spredte. Opdagelsen kan blive nyttig i udviklingen af ​​næste generations, ultralette optiske komponenter til computere og antenner.

Et papir om forskningen fremgår af tidsskriftet American Chemical Society ACS Nano .

Værket udspringer af de komplicerede interaktioner mellem lette og plasmoniske metalpartikler, der absorberer og spreder lys ekstremt effektivt. Plasmoner er kvasipartikler, kollektive ophidselser, der bevæger sig i bølger på overfladen af ​​nogle metaller, når de ophidses af lys.

Risforskerne studerede pinwheel-lignende plasmoniske strukturer af C-formede guldnanopartikler for at se, hvordan de reagerede på cirkulært polariseret lys og dets roterende elektriske felt, især når hånden, eller polarisationens rotationsretning, blev vendt. De besluttede derefter at studere individuelle partikler.

"Vi fjernede det tilbage til det enkleste mulige system, hvor vi kun havde en enkelt arm af pinhjulet, med en enkelt indfaldende lysretning, "sagde Lauren McCarthy, en kandidatstuderende i Link -laboratoriet. "Vi forventede ikke at se noget. Det var en fuldstændig overraskelse, da jeg lagde denne prøve på mikroskopet og roterede min polarisering fra venstre- til højrehåndet. Jeg var ligesom, 'Tænder og slukker disse?' Det skal ikke ske. "

Hun og medlederforfatter Kyle Smith, en nylig risalumn, måtte gå dybt for at finde ud af, hvorfor de så denne "kæmpe modulering".

Ved begyndelsen, de vidste, at skinnende polariseret lys i en bestemt vinkel på overfladen af ​​deres prøve af guld nanopartikler fastgjort til et glassubstrat ville skabe et flygtigt felt, en oscillerende elektromagnetisk bølge, der kører over glassets overflade og fanger lyset som parallelle spejle, en effekt kendt som en total intern refleksion.

De vidste også, at cirkulært polariseret lys er sammensat af tværgående bølger. Tværgående bølger er vinkelret på den retning, lyset bevæger sig, og kan bruges til at styre partikelens synlige plasmoniske output. Men når lyset er begrænset, langsgående bølger forekommer også. Hvor tværgående bølger bevæger sig op og ned og fra side til side, langsgående bølger ligner noget, der bliver pumpet gennem et rør (som illustreret ved at ryste en Slinky).

De opdagede den plasmoniske reaktion af de C-formede guld-nanopartikler afhænger af de ud-fase-interaktioner mellem både tværgående og langsgående bølger i det flygtige felt.

Til pinwheel, forskerne fandt ud af, at de kunne ændre intensiteten af ​​lysudbyttet med så meget som 50 procent ved blot at ændre håndteringen af ​​det cirkulært polariserede lysindgang, og dermed ændre den relative fase mellem de tværgående og langsgående bølger.

Da de brød eksperimentet ned til individuelle, C-formede guld nanopartikler, de fandt formen vigtig for effekten. Ændring af håndteringen af ​​den polariserede input fik partiklerne til næsten at tænde og slukke helt.

Simuleringer af effekten af ​​Rice -fysiker Peter Nordlander og hans team bekræftede forklaringen på, hvad forskerne observerede.

"Vi vidste, at vi havde et flygtigt felt, og vi vidste, at det kunne gøre noget anderledes, men vi vidste ikke præcis hvad, "Sagde McCarthy." Det blev ikke klart for os, før vi fik lavet simuleringerne, fortæller os, hvad lyset egentlig var spændende i partiklerne, og at se, at det faktisk matcher med, hvordan det flygtige felt ser ud.

"Det førte til vores erkendelse af, at dette ikke kan forklares ved, hvordan lys normalt fungerer, "sagde hun." Vi var nødt til at justere vores forståelse af, hvordan lys kan interagere med denne slags strukturer. "

Formen af ​​nanopartiklen udløser orienteringen af ​​tre dipoler (koncentrationer af positiv og negativ ladning) på partiklerne, Sagde McCarthy.

"Det faktum, at halvringen har en krumningsradius på 100 nanometer betyder, at hele strukturen fylder en halv bølgelængde af lys, "sagde hun." Vi synes, det er vigtigt for at spændende dipolerne i denne særlige orientering. "

Simuleringerne viste, at ved at vende den hændelsespolariserede lyshåndethed og kaste bølgerne ud af fase vendte centerdipolens retning, reducerer dramatisk halvringens evne til at sprede lys under en hændelse med én hændelse. Polariseringen af ​​det flygtige felt forklarer derefter den næsten komplette tænding og slukning af de C-formede strukturer.

"Interessant nok, vi er på en måde gået i cirkel med dette arbejde, "Link sagde." Flade metaloverflader understøtter også overfladeplasmoner som nanopartikler, men de kan kun ophidses med svigtende bølger og spredes ikke i det fjerne felt. Her fandt vi ud af, at excitationen af ​​specifikt formede nanopartikler ved hjælp af flygtige bølger producerer plasmoner med spredningsegenskaber, der er forskellige fra dem, der ophidses med lys i frit rum. "