Anisotropisk plasmonteknik låser op for polariseret opkonvertering på flere niveauer

National University of Singapore (NUS) forskere har introduceret en opkonverteringsplasmonfor-platform for at muliggøre præcis kontrol over polariseringen af ​​isotrope opkonverteringsnanopartikler (UCNP'er). Dette opnås ved at koble opkonverteringsaktivatorer med omhyggeligt designede anisotropiske gap plasmon mode-understøttede metasurfaces.

Foton-plasmon-kobling i hybridsystemer er et kraftfuldt værktøj til at undersøge lys-stof-interaktioner på nanoskala med potentielle anvendelser inden for forskellige områder, herunder miniaturiserede faststoflasere, ultrakompakte spektrometre, on-chip molekylær sensing og polarimetrisk billeddannelse. Lanthanid-dopede UCNP'er er særligt lovende som kvantelyskilder på grund af deres distinkte emissionstoppe, store anti-Stokes-forskydning og fremragende fotostabilitet.

De karakteristiske spektroskopiske fingeraftryk fra disse emissionstoppe gør det lettere at identificere information nøjagtigt. Mens opkonverteringshybridsystemer er blevet undersøgt for at forbedre fotoluminescens og henfaldsdynamik gennem overfladeplasmon-foton-kobling, gør krystalgittersymmetrien af ​​små UCNP'er det vanskeligt at opnå polarisationsanisotropi. Kontrol af lyspolariseringen er også afgørende for forskellige applikationer, såsom informationskodning, displayteknologi og biologisk sansning.

Et forskerhold ledet af professor Liu Xiaogang fra Institut for Kemi, NUS, har udtænkt en tilgang til at opnå præcis polarisationskontrol over isotrope UCNP'er ved at koble opkonverteringsaktivatorer med komplekse nanostrukturer, kendt som anisotropic gap plasmon mode-supported metasurfaces. Forskningen er publiceret i tidsskriftet Chem .

Ved at bruge metalliske stanglignende antenner var forskerne i stand til at kontrollere lyspolariseringen af ​​disse isotrope UCNP'er på en måde, der svarer til at indstille en radio til forskellige radiostationer. Dette gjorde det muligt for dem at kontrollere lyspolariseringen af ​​disse isotrope UCNP'er fra det synlige til det nær-infrarøde område, og overvinde de begrænsninger, som deres krystallinske symmetri udgør.

Metal-isolator-metal-designet sikrer, at der er stærke dobbelte resonanstilstande i ortogonale retninger med minimal interferens med hinanden. Det afkobler også de processer, der er involveret i lysexcitation og -emission.

Ved at bruge både fjernfeltsexcitation og nærfelts elektromagnetisk interferens kan de isotrope UCNP'er styres til at producere periodiske variationer i emissionsamplitude med en stor excitationspolarisationsfølsomhed på op til 83 %.

Forskerholdet undersøgte yderligere, hvordan den lokale tæthed af lyspartikler omkring antennerne påvirker den måde, energi frigives fra den hybride nanoplatform. Ved at spændende systemet lineært kan denne hybride nanoplatform skifte mellem fire opkonverteringspolarisationstilstande, hvilket muliggør flere niveauer af lysoutput i parallelle eller ortogonale polariseringskonfigurationer.

Deres numeriske undersøgelse kastede yderligere lys over, hvordan de anisotrope plasmontilstande selektivt påvirker polarisationstilstanden af ​​det udsendte lys. Specifikt, når excitationsforbedringsfaktorerne er meget større end emissionsforøgelsesfaktorerne, bestemmes opkonverteringspolarisationstilstanden af ​​excitationspolarisationen, hvilket fører til parallelle polarisationskarakteristika.

Omvendt, når emissionsforbedringsfaktorerne er sammenlignelige med excitationsforbedringsfaktorerne, producerede de koblede opkonverteringsemittere udsendt lys med anisotrope egenskaber.

Prof Liu sagde:"Opkonverteringspolarisationerne på flere niveauer kan bane vejen for innovative fotoniske systemer, der tilbyder fleksibiliteten til at skræddersy lysfrekvenser og retninger, der bruger lys på unikke måder. Dette åbner spændende muligheder for at udvikle kompakte enheder, der udnytter lyset på nye måder for avanceret fotonik."

Flere oplysninger: Jiahui Xu et al, Multi-level upconversion polarization aktiveret af programmerbare plasmoner, Chem (2023). DOI:10.1016/j.chempr.2023.11.007

Journaloplysninger: Kem

Leveret af National University of Singapore