Ekstraordinært gennemsigtige kompakte metalliske metamaterialer

I materialevidenskab, akromatiske optiske komponenter kan designes med høj gennemsigtighed og lav spredning. Materialeforskere har vist, at selvom metaller er meget uigennemsigtige, tætpakkede arrays af metalliske nanopartikler med mere end 75 procent metal efter volumen kan blive mere gennemsigtige for infrarød stråling end dielektriske stoffer såsom germanium. Sådanne arrays kan danne effektive dielektriske stoffer, der er praktisk talt spredningsfrie på tværs af ultrabredbåndsintervaller af bølgelængder for at konstruere en række næste generations metamateriale-baserede optiske enheder.

Forskere kan justere de lokale brydningsindekser for sådanne materialer ved at ændre størrelsen, form og afstand mellem nanopartikler for at designe linser med gradientindeks, der styrer og fokuserer lys på mikroskalaen. Det elektriske felt kan være stærkt koncentreret i hullerne mellem metalliske nanopartikler for samtidig fokusering og 'klemning' af det dielektriske felt for at producere stærke, dobbelt forbedrede hotspots. Forskere kan bruge disse hotspots til at øge målinger foretaget ved hjælp af infrarød spektroskopi og andre ikke-lineære processer over et bredt frekvensområde.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikation , Samuel J. Palmer og et tværfagligt forskerhold i fysikafdelingerne, Matematik og nanoteknologi i Storbritannien, Spanien og Tyskland, viste, at kunstige dielektriske stoffer kan forblive meget gennemsigtige for infrarød stråling og observerede dette resultat, selv når partiklerne var nanoskopiske. De demonstrerede, at det elektriske felt trænger ind i partiklerne (gør dem ufuldkomne til ledning), så der kan opstå stærke interaktioner mellem dem i et tæt pakket arrangement. Resultaterne vil gøre det muligt for materialeforskere at designe optiske komponenter, der er akromatiske til applikationer i den mellem-til-infrarøde bølgelængderegion.

Palmer og kolleger kunne justere det lokale brydningsindeks for disse komponenter ved at ændre størrelsen, form og afstand mellem nanopartikler med følsomhed over for det lokale brydningsindeks for det omgivende miljø. Forskerne forbedrede det elektriske felt i hullerne mellem de metalliske nanopartikler i arrayet og udnyttede samtidig deres gennemsigtighed, tunbarhed og høj metallisk fyldningsfraktion for at designe en gradient-indeks linse. Arbejdet fokuserede lys på mikroskalaen og klemte det elektriske felt i nanoskalaen for at producere det dobbelt forstærkede elektriske felt-hotspot i hele den infrarøde (IR) region. Forskerne forestiller sig, at det nye arbejde vil øge målinger foretaget ved hjælp af IR-spektroskopi og andre ikke-lineære processer på tværs af en bred vifte af frekvenser.

Materialeforskere er i øjeblikket i stand til at udvikle nye og avancerede materialer; imidlertid, intet nyt materiale er virkelig homogent i sin sammensætning. Alligevel, de fleste materialer kan karakteriseres ved hjælp af homogene mikroskopiske egenskaber, såsom brydningsindekser, hvor de atomistiske inhomogeniteter er mindre end de gennemsnitlige bølgelængder af optisk lys, der rammer materialet. Kunstigt konstruerede materialer kendt som metamaterialer beskrives med et effektivt indeks, når materialet indeholder en tilstrækkelig subbølgelængdestruktur. Tidlige metamaterialer inkluderede kunstige dielektrikum sammensat af centimeterskala-arrays af metalliske partikler, der var i stand til at styre og fokusere radiobølger som et dielektrikum. De metalliske partikler af tidlige kunstige dielektriske materialer var så store, at de opførte sig som perfekte ledere med høj transparens for radiobølger. Nyere forskning inden for materialevidenskab sigter mod at bygge effektive dielektrika til det synlige og infrarøde spektrum ved hjælp af metalliske partikelarrays i nanoskala. Fremskridt i samlingen af ​​metalliske nanopartikler kan derefter give mulighed for sofistikeret konstruktion af hidtil usete lys-stof-interaktioner i det optiske domæne.

I nærværende arbejde, Palmer et al. kontrasterede gennemsigtigheden af ​​nanocylinder-arrays og nanosfærer (selvom nanopartikler kan have andre former) til germanium for at demonstrere, at arrays kunne lede og fokusere lys. Arrays af nanocylindre opførte sig som effektive dielektrika med tværgående elektrisk polariseret lys; hvor en tværgående kraft på elektronerne førte til oscillerende overfladeladninger, der efterlignede et atoms oscillerende dipoler i et rigtigt dielektrikum.

I modsætning, cylindrenes reaktion på tværgående magnetisk polariseret lys lignede bulkmetallet, da elektroner var frie til at bevæge sig under påvirkning af det langsgående elektriske felt uden at støde på cylinderoverfladerne. Arrangementerne af nanosfærer i undersøgelsen opførte sig som effektive dielektrikere, uanset den hændende polarisering - fokusering af elektronerne i enhver retning for at resultere i overfladeladninger, der efterlignede de oscillerende dipoler af et dielektrikum. Sådanne arrays viste høj gennemsigtighed i forhold til ægte dielektrikere som germanium - selv når systemet havde højere end 75 procent metal.

For at teste nøjagtigheden af ​​den foreslåede teori, Palmer et al. produceret en stærkt ordnet kolloidal superkrystal ved hjælp af guldnanopartikler med en diameter på 60 nm. De aflejrede superkrystallen på et germaniumsubstrat og karakteriserede materialet (testede fysiske egenskaber) ved hjælp af et UV-vis-NIR-spektrofotometer. Forskerne observerede enestående gennemsigtighed af materialerne, demonstrerer gennemførligheden af ​​eksperimentelt at producere metamaterialer. Ved hjælp af magnetiske nærfelter, de viste, at de effektive dielektrikere var gennemsigtige nok til at fungere som mikrometer-objektiver til infrarød stråling. På trods af at den indeholder 82 volumenprocent metal, forskerne observerede, at det at bryde det faste guld i en række guldnanocylindre producerede en gennemsigtig linse, der var i stand til at fokusere lys, tæt på opførselen af ​​en homogen dielektrisk linse.

Forskerne sammenlignede derefter forskellige typer metaller (aluminium, sølv, guld og titanium) for at vise, at materialer med længere huddybder producerede de mest gennemsigtige og mindst dispersive nanopartikelarrays. Palmer et al. viste, at ved en fast bølgelængde, forholdet mellem partikeldiameteren og metalets huddybde bestemmes, om partiklen ville opføre sig som kvasipartikeldipoler eller som perfekte ledere.

Ud over høj gennemsigtighed, forskerne kunne tune systemet ved at kontrollere størrelsen, partiklernes form og rum. For eksempel, Palmer et al. kontrollerede billedformatet af arrays af elliptiske cylindre for at vise, at materialets anisotrope respons kunne indstilles. De numeriske resultater viste, at det effektive indeks nemt kunne indstilles til at variere med mere end 50 procent, når systemet blev roteret. Derved var forskerne i stand til at justere det effektive indeks ved at fastsætte partikelpositionerne og justere deres størrelser.

For at fremhæve dette potentiale for at indstille det lokale effektive indeks, Palmer et al. konstruerede derefter en gradient-indeks (GRIN) linse ved hjælp af trekantede gitter af guldcylindre og varierede cylindrenes diametre med position. Ved at bruge GRIN-objektivet, forskerne var i stand til samtidigt at fokusere lys på mikroskalaen og derefter 'klemme' lys på nanoskalaen for at producere den intense, 'dobbelt forbedrede' elektriske felt-hotspots. I modsætning til plasmoniske forbedringer, effekten var ikke afhængig af tabsgivende resonanser, demonstrerer bredbånds- og lavtabsejendomme.

De viste, at omdrejningspunktet for GRIN -linsen skulle falde sammen med området med den nærmeste pakning for at maksimere klemning af det elektriske felt. I modsætning til magnetfelter, der var kontinuerlige på tværs af luft-metal-grænsefladerne i undersøgelsen, det elektriske felt stærkt lokaliseret i hullerne. Som resultat, at presse en 2 µm bølgelængde ind i 2 nm mellemrum frembragte stærke hotspots med høj intensitet i undersøgelsen.

På denne måde Palmer et al. konstrueret lavt tab, effektive dielektrika fra arrays af metalliske nanopartikler. Forskerne opnåede meget gennemsigtige arrays, der oversteg gennemsigtigheden af ​​ægte dielektriske stoffer såsom germanium; kendt for deres gennemsigtighed over for lavenergistråling. De var også i stand til lokalt at indstille og kontrollere størrelsen, form og rum af de partikler, der danner de nye metamaterialer. Forskerne viste, at det effektive indeks stort set var konstant for alle bølgelængder større end 2 µm. Dette arbejde vil give materialeforskere mulighed for at designe og konstruere sofistikerede optiske enheder med metamaterialer, der leder eller forbedrer lys over en bred vifte af frekvenser, i det væsentlige uden en øvre grænse for bølgelængde.

© 2019 Science X Network