Conception et fabrication de nano-ouvertures hélicoïdales plasmoniques Janus 3D. (a) Un diagramme schématique de la nano-ouverture hélicoïdale plasmonique Janus 3D sous deux formes énantiomères :Forme A et Forme B. Les paramètres géométriques sont p = 380 nm, r0 = 160 nm, r1 = 110 nm, = 90°, et H = 180 nm. Pour le formulaire B dans la rangée du bas, la profondeur de la partie de la rainure dégradée augmente le long de la flèche rouge, tandis que la partie ouverture est indiquée par la double flèche bleue. (b) Une illustration de la méthode de broyage par faisceau d'ions focalisés en niveaux de gris. (c) La profondeur de broyage obtenue expérimentalement en fonction de la dose d'ions appliquée. (d) Distributions de doses d'ions normalisées et images SEM des nano-ouvertures hélicoïdales 3D fabriquées. Les images latérales sont capturées avec un angle visuel de 52° par rapport à la normale de la surface. Les flèches en pointillés rouges indiquent la direction dans laquelle la profondeur de la rainure augmente. Les barres d'échelle sont 200, 100, et 100 nm de gauche à droite. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0156-8
Les nanostructures plasmoniques hélicoïdales ont attiré une attention considérable dans la science des matériaux et la chimie en raison de leur chiralité optique inhérente. Dans un nouveau rapport, Yang Chen et une équipe de recherche du département de génie mécanique et aérospatial aux États-Unis ont développé des nano-ouvertures hélicoïdales plasmoniques uniques en 3D Janus (nanoparticules avec au moins deux propriétés de surface) (trous hélicoïdaux), avec sensibilité de polarisation contrôlée par direction. Ils ont conçu les structures hélicoïdales à l'aide d'un broyage par faisceau d'ions focalisé en une étape (FIB). Chen et al. puis codé la métasurface Janus avec deux énantiomères de nano-ouverture (molécules d'image miroir gauche et droite l'une de l'autre) avec des angles de rotation spécifiques pour démontrer pour la première fois le cryptage des données de polarisation à direction contrôlée.
Les échantillons conçus dans le travail ont permis la transmission sélective de certains types de lumière polarisée, tout en bloquant les autres. Cette sensibilité à la polarisation dépend de la direction de la lumière entrante; par exemple, la lumière dans une direction spécifique a incité les réseaux à produire des images binaires, alors que la lumière dans la direction opposée pourrait reproduire des photographies en niveaux de gris. Chen et al. envisager d'utiliser les nano-ouvertures hélicoïdales Janus proposées pour une variété d'applications allant du contrôle de la polarisation au sein de dispositifs photoniques intégrés, détection avancée des énantiomères, le cryptage et le décryptage des données ainsi que le traitement optique de l'information. Les nouveaux résultats sont maintenant publiés dans Lumière :science et applications .
La chiralité a d'abord été définie par Lord Kelvin pour décrire toute figure géométrique dont l'image miroir ne pouvait pas coïncider avec elle-même. La propriété est omniprésente dans les objets biologiques qui vont des petites biomolécules telles que les acides aminés et les nucléotides aux macromolécules plus grandes telles que les protéines et les acides nucléiques, et même nos mains et nos pieds. Alors que les versions gauchers et droitiers d'une molécule connue sous le nom d'énantiomères peuvent avoir des propriétés chimiques et physiques similaires, ils peuvent remplir des fonctions biologiques entièrement différentes dans divers domaines d'applications.
Conception et fabrication de nano-ouvertures hélicoïdales plasmoniques Janus 3D. Distributions de doses d'ions normalisées et images SEM des nano-ouvertures hélicoïdales 3D fabriquées des énantiomères de la forme A et de la forme B. Les images latérales sont capturées avec un angle visuel de 52° par rapport à la normale de la surface. Les flèches en pointillés rouges indiquent la direction dans laquelle la profondeur de la rainure augmente. Les barres d'échelle sont 200, 100, et 100 nm de gauche à droite. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0156-8 
Les scientifiques des matériaux ont déjà utilisé l'écriture laser directe à deux photons suivie d'une étape de galvanoplastie pour produire une hélice plasmonique 3D, qui avait des limites de résolution spatiale à l'échelle microscopique lors d'applications dans le spectre visible et proche infrarouge. De la même manière, le dépôt induit par un faisceau d'électrons/d'ions focalisé pourrait étendre la structure hélicoïdale à la nanostructure, mais la méthode manquait de rapidité pour une production à grande échelle. En conséquence, des installations de lithographie avec un alignement à haute résolution et des opérations délicates sont actuellement nécessaires afin de fabriquer de manière pratique et rapide des nanostructures hélicoïdales plasmoniques avec des signaux CD géants.
Propriétés optiques de la nanoouverture hélicoïdale plasmonique Janus 3D dans le sens direct. (a) spectres de transmission simulés et (b) mesurés du réseau de nano-ouvertures hélicoïdales dans la forme A pour diverses combinaisons d'incidence/sortie manuelles dans le sens direct, avec les spectres CDTF correspondants. (c) L'intensité de transmission mesurée en fonction de l'angle azimutal de la lumière incidente LP à 830 nm. (d) Spectres de réflexion et spectres d'absorption simulés et (e) mesurés sous incidence RCP (polarisation circulaire à droite) et LCP (polarisation circulaire à gauche) dans le sens direct. (f) Illustrations des processus de couplage de modes dépendant du spin à l'intérieur des nano-ouvertures hélicoïdales 3D dans les formes A et B, qui peuvent être considérés comme des séries de segments de guides d'ondes en cascade (WG n-1, GT n, GT n + 1, ..). Les distributions de modes circulaires dichroïques sont présentées à l'intérieur du segment de guide d'ondes WG n à 812 nm. (g) Distributions de champ électrique à 6 nm au-dessus du plan de sortie de la nano-ouverture hélicoïdale dans la forme A sous incidence RCP et LCP à 812 nm. h Distributions de flux de puissance optique à l'intérieur de la nano-ouverture hélicoïdale dans la forme A sous incidence RCP et LCP à 812 nm. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0156-8
Dans le travail present, Chen et al. gravé les nano-ouvertures hélicoïdales plasmoniques 3-D Janus sur un seul, film d'or optiquement épais avec une ouverture en forme d'arc et une rainure de gradient en forme d'arc connectées bout à bout l'une à l'autre. En fonction de la profondeur de la rainure de dégradé, qui a été augmenté dans le sens horaire ou antihoraire, les nanoouvertures hélicoïdales chirales existaient sous deux formes énantiomères en tant que versions "A" et "B" qui étaient symétriques l'une de l'autre. Les scientifiques ont appliqué une dose élevée de Ga + ions pendant le processus de broyage du faisceau d'ions focalisé et a ajusté délicatement la mise au point et l'astigmatisme du faisceau d'ions pour former les réseaux de nano-ouvertures hélicoïdales 3-D avec une uniformité satisfaisante.
Ils ont ensuite étudié les propriétés chiroptiques des nano-ouvertures hélicoïdales plasmoniques 3-D dans le sens direct, lorsque la lumière polarisée circulairement (CPL) a été illuminée sur la surface d'or et transmise à partir du substrat de silice dans la configuration expérimentale. La simulation numérique réalisée avec COMSOL Multiphysics et les résultats expérimentaux de l'étude ont coïncidé, et Chen et al. crédité toute divergence expérimentale aux imperfections de fabrication dans le système FIB.
Stockage de données cryptées en polarisation contrôlée par direction avec la métasurface Janus. (a) Un diagramme schématique de la métasurface Janus pour le stockage de données cryptées par polarisation contrôlée par direction. (Photographie utilisée avec autorisation :Niels Henrik David Bohr (1885-1962) Physicien danois. Théorie quantique. Prix Nobel de physique 1922/Universal History Archive/UIG/Bridgeman Images.) (b) Une illustration du processus de codage de la métasurface avec les deux énantiomères de nanoouverture ayant des angles de rotation spécifiés. (c) L'intensité de transmission normalisée de la lumière LP dans la direction arrière, qui suit la loi de Malus par rapport à l'angle θ entre la direction de polarisation incidente et l'axe de transmission de la nanoouverture hélicoïdale 3D. (d) Images de transmission capturées de la métasurface Janus à 800 nm dans les directions avant et arrière pour diverses polarisations incidentes. Barre d'échelle :10 μm. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0156-8
Les scientifiques ont modélisé les nano-ouvertures hélicoïdales 3-D sous la forme d'une série de segments de guide d'ondes en forme d'arc en cascade pour atteindre la chiralité optique attendue. Si la maniabilité du CPL (lumière polarisée circulairement) correspondait à celle du sillon dégradé, la puissance optique entrante pourrait être collectée dans la zone d'ouverture le long du sillon de gradient pour produire une forte transmission dans la configuration expérimentale.
Chen et al. puis déterminé les propriétés optiques de la nano-ouverture hélicoïdale plasmonique Janus 3-D dans la direction arrière. Pour ça, ils ont illuminé la lumière dans le substrat de silice pour la transmettre à partir de la surface de l'or pour obtenir une intensité presque similaire dans la direction arrière, les résultats ont montré un dichroïsme linéaire géant (et non un dichroïsme circulaire) avec une lumière polarisée de manière circulaire.
Performances à large bande de la métasurface Janus. Les images sont capturées dans des conditions d'éclairage appropriées de direction et de polarisation à 690, 745, 800, 845, et 890 nm. Barre d'échelle :10 μm. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0156-8
Sur la base de ces résultats, Chen et al. codé la métasurface Janus pour construire une image de code QR (réponse rapide) binaire dans la direction avant sous un éclairage à polarisation circulaire (RCP) droitier. Dans la deuxième étape, ils ont codé une image en niveaux de gris vers l'arrière sous une lumière polarisée linéairement. Ils ont pu coder des informations sur la même métasurface Janus sans perturbation mutuelle et révéler l'image du code QR en n'éclairant que la lumière de la main droite vers l'avant pour décrypter et se connecter à un message codé reliant le site Wikipédia du physicien Niels Bohr. Chen et al. testé les performances à large bande de la métasurface Janus pour distinguer l'image du code QR à l'aide d'un scanner de code QR à 690 nm, allant jusqu'à 890 nm.
De cette façon, Chen et al. a introduit un nouveau type de nano-ouverture plasmonique Janus 3-D utilisant une sensibilité de polarisation à commutation de direction. Ils ont fabriqué l'appareil en utilisant un fraisage FIB en niveaux de gris en une étape. Les propriétés optiques uniques des nano-ouvertures hélicoïdales 3D leur ont permis de crypter et de décrypter les données en utilisant une polarisation de la lumière à direction contrôlée. Le travail aura en plus, applications de nouvelle génération comme polariseurs multifonctionnels, affichages à haute résolution et dans le traitement optique de l'information.
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