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    Contrôle cohérent dans le plan des résonances plasmoniques pour la commutation et l'encodage plasmoniques

    Diagrammes schématiques de deux configurations pour le contrôle cohérent dans le plan des résonances plasmoniques. un interféromètre à guide d'ondes à fibre. b Microscope confocal à fond noir (DF), où un quart d'éclairage peut être satisfait en bloquant 3/4 de la zone de l'ouverture annulaire. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi :https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1

    La lumière incidente sur les nanoparticules métalliques peut initier le mouvement collectif des électrons, provoquant une forte amplification du champ électromagnétique local. De telles résonances plasmoniques jouent un rôle important dans la biodétection avec la capacité d'améliorer la résolution et la sensibilité requises pour détecter les particules à l'échelle d'une seule molécule. Le contrôle des résonances plasmoniques dans les métadispositifs a des applications potentielles dans le tout-optique, modulation du signal lumière-lumière et traitement de l'image. Des rapports ont démontré le contrôle cohérent hors du plan des résonances plasmoniques en modulant les métadispositifs dans les ondes stationnaires. Dans les appareils optiques, la lumière peut être transférée le long des surfaces pour un contrôle sans précédent des plasmons. Lorsque les oscillations des électrons conducteurs sont couplées à des photons lumineux, les résonances plasmoniques de surface localisées (LSPR) peuvent servir de supports d'information pour les capteurs optiques de taille nanométrique et dans les ordinateurs.

    Dans une étude récente, Liyong Jiang et ses collègues de l'Université des sciences et technologies de Nanjing ont démontré deux méthodes d'illumination dans le plan des LSPR comme preuve de principe dans les nanodisques d'or. Les résultats de leurs travaux ont montré que les LSPR pouvaient être commutés dans différents états en ajustant la lumière incidente pour coder les données logiques en chaînes d'une manière qui n'était pas possible jusqu'à présent avec un éclairage hors du plan. Les résultats sont maintenant publiés dans Lumière :science et applications .

    Au cours de la dernière décennie, des efforts importants ont été consacrés à l'étude des interactions lumière-matière à l'échelle nanométrique dans les systèmes plasmoniques. La capacité de contrôler LSPR a conduit à de nombreuses applications pratiques, y compris des exemples pionniers tels que :

    1. Diffusion Raman améliorée en surface
    2. Guides d'ondes Plasmon
    3. Règles moléculaires
    4. Biodétection et bioimagerie
    5. Nanolasers
    6. Holographie plasmonique
    7. Jonctions de tunnels, et
    8. Métalens.

    Contrôle cohérent dans le plan des résonances plasmoniques dans les monomères de nanodisques d'or. une, b Spectres d'absorption normalisés calculés de monomères de nanodisques d'or d'un diamètre allant de 140 à 200  nm pour une onde plane dans le plan polarisée s provenant du côté droit (ligne pointillée) ou des deux côtés (ligne continue) sans retard de phase, ou avec un retard de phase de . « F » et « H » représentent les résonances plasmoniques fondamentales et d'ordre élevé. c–e Les distributions spatiales correspondantes de l'amplitude du champ électrique |E|, partie réelle Re(Ez), et partie imaginaire Im(Ez) pour les modes « F » et « H » (carré et cercle) du monomère représentatif du nanodisque d'or (D = 160 nm) sous éclairage asymétrique et symétrique dans le plan. Sous un éclairage symétrique dans le plan, nous pouvons observer des interférences destructrices/constructives dépendantes du retard de phase pour les modes « F » et « H ». Crédit :Lumière :Science &Applications, doi :https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1

    Au cours des premiers stades de développement, les scientifiques se sont concentrés sur le contrôle du LSPR en concevant des configurations des nanostructures plasmoniques. Ils ont compris le LSPR dépendant de la taille et de la forme des nanoparticules plasmoniques simples et des systèmes plasmoniques couplés basés sur la théorie classique de Mie et des modèles d'hybridation plasmonique bien établis. En outre, le faisceau lumineux illuminait généralement la surface de l'échantillon dans une direction dans les études optiques conventionnelles de nanoantennes simples et couplées.

    Bien que la capacité de contrôler les résonances plasmoniques via un éclairage hors du plan ait ouvert une nouvelle voie pour moduler les signaux, le processus a montré des limites. Par conséquent, Jiang et al. ont rapporté le contrôle cohérent dans le plan des résonances plasmoniques dans des nanoantennes métalliques typiques. Les scientifiques ont fourni une démonstration de principe des applications de commutation et de codage plasmoniques pour les nanodisques d'or simples et couplés.

    Pour réaliser un contrôle cohérent dans le plan des résonances plasmoniques en laboratoire, les scientifiques ont proposé deux configurations expérimentales possibles. L'un était basé sur un interféromètre à guide d'ondes à fibre, qui a fait face à des défis au cours des expériences. En comparaison, la deuxième méthode comprenait une méthode plus pratique, configuration de microscopie confocale à fond noir largement utilisée. Dans ce, la condition d'éclairage dans le plan complètement symétrique pouvait être satisfaite tôt lorsque la lumière d'entrée se concentrait sur le centre de l'échantillon. Pour construire un éclairage asymétrique dans le plan, les scientifiques ont bloqué les trois quarts de la surface de l'ouverture annulaire. Jiang et al. ont montré que la configuration était adaptée à l'étude de nanostructures plasmoniques avec des tailles comparables à la taille du spot focalisé du faisceau lumineux incident.

    Démonstration de la règle de distribution du champ électrique pour le monomère et le dimère du nanodisque d'or 200 nm par s-SNOM. a Schéma de la mesure s-SNOM pour les configurations excitation-collecte s–s et s–p. La longueur d'onde du laser d'excitation est de 633 nm et l'angle d'incidence par rapport au plan du substrat est de 30°. b Calcul des spectres d'absorption normalisés du monomère et du dimère de nanodisque d'or de 200  nm à un angle d'incidence de 30° sous un éclairage asymétrique (ligne pointillée) ou symétrique (ligne continue) sans retard de phase. La taille de l'espace dans le dimère est de 30 nm. c Images microscopiques à force atomique (AFM) du monomère et du dimère d'un nanodisque d'or pour les mesures s–s et s–p. La flèche rouge représente la direction d'incidence du laser et la ligne pointillée bleue représente l'axe central du nanodisque. ré, e Distributions spatiales expérimentales et simulées de l'amplitude |A|, phase , et la partie réelle du composant de champ électrique Ey dans la mesure s–s et Ez dans la mesure s–p pour le monomère et le dimère de nanodisque d'or de 200  nm. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi :https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1

    Pour concevoir les échantillons de nanodisques d'or sur du dioxyde de silicium/silice (SiO 2 /Si) substrats, Jiang et al. utilisé la lithographie par faisceau d'électrons (EBL) parallèlement à un processus de décollage. Ils ont terminé le processus de fabrication en revêtant la surface du substrat d'un film d'or et d'une couche d'adhésion de chrome (Cr) sous-jacente par évaporation par faisceau d'électrons. Les scientifiques ont ensuite étudié le contrôle cohérent dans le plan des résonances plasmoniques dans les nanodisques d'or et calculé les spectres d'absorption des monomères des nanodisques d'or allant de diamètres de 140 à 200 nm; fabriqué sur le SiO 2 /Si surface du substrat.

    Dans le travail, ils ont établi et vérifié expérimentalement la règle de distribution des composants du champ électrique pour réaliser des résonances plasmoniques destructrices et constructives dans une nanostructure plasmonique axisymétrique. Ils ont montré comment le contrôle cohérent dans le plan des résonances plasmoniques reposait fortement sur la configuration et la symétrie des nanostructures plasmoniques, par rapport au contrôle cohérent hors plan. Cette fonctionnalité peut permettre la liberté d'adapter et de concevoir des résonances plasmoniques multiples dans d'autres structures plasmoniques axisymétriques, qui comprennent des nanosphères, nanotige, nano nœud papillon et polymères nanostructurés.

    Démonstration de commutation plasmonique par mesure de diffusion en champ sombre (DF) de monomère et dimère de nanodisque d'or. a Spectres de diffusion DF normalisés de monomère de nanodisque d'or d'un diamètre de 200  nm (image SEM) sous un éclairage complet et quart. b Les spectres de diffusion et d'absorption simulés normalisés correspondants. c, d Spectres de diffusion DF normalisés mesurés et simulés d'un dimère de nanodisque d'or d'un diamètre de 200 nm et d'une taille d'intervalle de 30  nm (image SEM) sous un éclairage complet et quart. Les courbes rouges pleines dans c sont les résultats du lissage. La barre d'échelle dans les images SEM est de 200  nm. e, f Diagrammes de polarisation de l'éclairage complet et quart dans la mesure et la simulation de la diffusion DF pour le monomère et le dimère d'un nanodisque d'or. En expérimentation comme en simulation, l'excitation est polarisée en s ou p et la collection est non polarisée. Les flèches doubles noires et rouges représentent la polarisation initiale et la polarisation après mise au point, respectivement. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi :https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1

    Pour imager les modes de résonance plasmonique dans les nanodisques d'or, les scientifiques ont utilisé une technique s-SNOM sensible à la polarisation, qui peut détecter la lumière dans des régions à l'échelle nanométrique directement sous la pointe de la sonde microscopique à force atomique (AFM). Les scientifiques ont utilisé un schéma géométrique s-s/s-p et ont utilisé une pointe diélectrique (Si) pour les mesures. Ils ont illuminé l'échantillon à l'aide d'un rayonnement laser avec une lumière incidente de 30 0 par rapport au plan du substrat. Jiang et al. mesuré l'amplitude et la phase du signal diffusé sur la base de la quatrième harmonique de la fréquence de pointe de la pointe AFM. Ils ont utilisé un analyseur devant le détecteur pour sélectionner la composante polarisée s ou p de la lumière diffusée.

    Démonstration de commutation plasmonique par mesure de diffusion en champ sombre (DF) de monomère et dimère de nanodisque d'or. a Spectres de diffusion DF normalisés de monomère de nanodisque d'or d'un diamètre de 200  nm (image SEM) sous un éclairage complet et quart. b Les spectres de diffusion et d'absorption simulés normalisés correspondants. c, d Spectres de diffusion DF normalisés mesurés et simulés d'un dimère de nanodisque d'or d'un diamètre de 200 nm et d'une taille d'intervalle de 30  nm (image SEM) sous un éclairage complet et quart. Les courbes rouges pleines dans c sont les résultats du lissage. La barre d'échelle dans les images SEM est de 200  nm. e, f Diagrammes de polarisation de l'éclairage complet et quart dans la mesure et la simulation de la diffusion DF pour le monomère et le dimère d'un nanodisque d'or. En expérimentation comme en simulation, l'excitation est polarisée en s ou p et la collection est non polarisée. Les flèches doubles noires et rouges représentent la polarisation initiale et la polarisation après mise au point, respectivement. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi :https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1

    Jiang et al. a également démontré une commutation plasmonique avec des mesures de diffusion en champ sombre (DF) d'un monomère ou dimère de nanodisque d'or. Dans la configuration expérimentale, ils ont utilisé un système de microscopie confocale Raman pour mesurer les spectres de diffusion. Ils ont ensuite utilisé des progiciels disponibles dans le commerce pour effectuer des simulations numériques dans l'étude. Les simulations comprenaient des distributions de champ électrique, spectres d'absorption et de diffusion pour les nanodisques d'or. Ils ont simulé les paramètres électromagnétiques complexes de l'or et du chrome incorporés dans le dispositif expérimental, sur la base de publications antérieures.

    Encodage plasmonique dans les chaînes de nanodisques d'or. a Spectres d'absorption calculés de chaînes de nanodisques d'or constituées de différents nombres de nanodisques illuminés par l'onde plane dans le plan polarisée s provenant du côté droit (ligne pointillée) ou des deux côtés (ligne continue). Le diamètre du nanodisque est de 140 nm et la distance de séparation est de 30 nm. Les résonances plasmoniques destructrices et constructives sont représentées par des couleurs vertes et rouges, respectivement. b Distributions spatiales de l'amplitude du champ électrique |E| pour les résonances plasmoniques « F » (position de crête) sous éclairage symétrique. c Distributions d'amplitude de champ électrique en tranches le long du bord de la chaîne (la ligne pointillée blanche en b). d–g Distributions spatiales correspondantes des parties réelle et imaginaire de Ez lorsque l'onde plane dans le plan polarisée s provient du côté gauche (d, f) et côté droit (e, g) respectivement. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi :https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1

    De cette façon, Jiang et al. a démontré une preuve de principe de commutation plasmonique et d'encodage dans l'étude. Ils s'attendent à plus d'applications potentielles basées sur la capacité démontrée de contrôle cohérent dans le plan de la résonance plasmonique. Par exemple, les scientifiques peuvent utiliser la méthode pour étudier des spectres sélectifs améliorés en surface, où la photoluminescence ou le signal Raman de plusieurs molécules peut être sélectivement amélioré. Cela permettra de contrôler l'état marche/arrêt de plusieurs résonances plasmoniques dans une nano-antenne commune. Les scientifiques proposent d'étendre le schéma de codage plasmonique démontré dans l'étude à l'imagerie plasmonique, nano laser et communication optique dans les nanocircuits. Par exemple, les scientifiques peuvent combiner des chaînes de nanostructures plasmoniques avec différentes caractéristiques de codage pour construire des portes logiques (pour les opérations logiques booléennes) ainsi que concevoir des guides d'ondes multicanaux pour le stockage et les processus d'information tout optique.

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