Los investigadores de la Universidad de Rice han descubierto una forma fundamentalmente diferente de interacción de la materia ligera en sus experimentos con nanopartículas de oro.
No lo estaban buscando, pero los estudiantes en el laboratorio del químico de Rice Stephan Link descubrieron que excitar las partículas microscópicas producían una modulación casi perfecta de la luz que dispersaban. El descubrimiento puede ser útil en el desarrollo del próximo-generación, componentes ópticos ultrapequeños para computadoras y antenas.
Un artículo sobre la investigación aparece en la revista American Chemical Society ACS Nano .
El trabajo surge de las complicadas interacciones entre la luz y las partículas de metal plasmónico que absorben y dispersan la luz de manera extremadamente eficiente. Los plasmones son cuasipartículas, excitaciones colectivas que se mueven en ondas en la superficie de algunos metales cuando son excitadas por la luz.
Los investigadores de Rice estaban estudiando estructuras plasmónicas en forma de molinete de nanopartículas de oro en forma de C para ver cómo respondían a la luz polarizada circularmente y su campo eléctrico giratorio, especialmente cuando se invertía la dirección o la dirección de rotación de la polarización.Luego decidieron estudiar partículas individuales.
"Lo volvimos a colocar en el sistema más simple posible donde solo teníamos un brazo del molinete, con una sola dirección de luz incidente", dijo Lauren McCarthy, una estudiante graduada en el laboratorio de Link. "No esperábamosver algo. Fue una sorpresa completa cuando puse esta muestra en el microscopio y giré mi polarización de izquierda a derecha. Pensé: '¿Se están encendiendo y apagando?'. Eso no se supone que suceda ".
Ella y el coautor Kyle Smith, un ex alumno de Rice reciente, tuvieron que profundizar para descubrir por qué vieron esta "modulación gigante".
Al principio, sabían que la luz polarizada brillante en un ángulo particular sobre la superficie de su muestra de nanopartículas de oro unidas a un sustrato de vidrio crearía un campo evanescente, una onda electromagnética oscilante que recorre la superficie del vidrio y atrapa la luzcomo espejos paralelos, un efecto conocido como reflejo interno total.
También sabían que la luz polarizada circularmente está compuesta de ondas transversales. Las ondas transversales son perpendiculares a la dirección en que se mueve la luz y se pueden usar para controlar la salida plasmónica visible de la partícula. Pero cuando la luz está confinada, también ocurren ondas longitudinales.Donde las ondas transversales se mueven hacia arriba y hacia abajo y de lado a lado, las ondas longitudinales se parecen a gotas que se bombean a través de una tubería como se ilustra al sacudir un Slinky.
Descubrieron que la respuesta plasmónica de las nanopartículas de oro en forma de C depende de las interacciones fuera de fase entre las ondas transversales y longitudinales en el campo evanescente.
Para el molinete, los investigadores descubrieron que podían cambiar la intensidad de la salida de luz hasta en un 50 por ciento simplemente cambiando la mano de la entrada de luz polarizada circularmente, cambiando así la fase relativa entre las ondas transversales y longitudinales.
Cuando dividieron el experimento en nanopartículas de oro individuales en forma de C, descubrieron que la forma era importante para el efecto. El cambio de la mano de la entrada polarizada hizo que las partículas se encendieran y apagaran casi por completo.
Las simulaciones del efecto del físico de Rice Peter Nordlander y su equipo confirmaron la explicación de lo que observaron los investigadores.
"Sabíamos que teníamos un campo evanescente y sabíamos que podría estar haciendo algo diferente, pero no sabíamos exactamente qué", dijo McCarthy. "Eso no nos quedó claro hasta que hicimos las simulaciones, diciendonos muestra cómo la luz era realmente emocionante en las partículas, y ver que realmente coincide con el aspecto del campo evanescente.
"Nos llevó a darnos cuenta de que esto no puede explicarse por cómo funciona normalmente la luz", dijo. "Tuvimos que ajustar nuestra comprensión de cómo la luz puede interactuar con este tipo de estructuras".
La forma de la nanopartícula desencadena la orientación de tres dipolos concentraciones de carga positiva y negativa en las partículas, dijo McCarthy.
"El hecho de que el medio anillo tenga un radio de curvatura de 100 nanómetros significa que toda la estructura ocupa la mitad de una longitud de onda de luz", dijo. "Creemos que eso es importante para excitar los dipolos en esta orientación particular".
Las simulaciones mostraron que revertir la mano de luz polarizada incidente y arrojar las ondas fuera de fase invierte la dirección del dipolo central, reduciendo drásticamente la capacidad del medio anillo para dispersar la luz bajo la mano de un incidente. La polarización delEl campo evanescente explica el efecto casi completo de encendido y apagado de las estructuras en forma de C.
"Curiosamente, de alguna manera hemos cerrado el círculo con este trabajo", dijo Link. "Las superficies metálicas planas también admiten plasmones superficiales como las nanopartículas, pero solo pueden excitarse con ondas evanescentes y no dispersarse en el campo lejano.Aquí descubrimos que la excitación de nanopartículas de formas específicas que usan ondas evanescentes produce plasmones con propiedades de dispersión que son diferentes de las excitadas con luz de espacio libre ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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