Un modèle réalisé par des scientifiques de l'Université Rice montre comment deux sphères chargées positivement attachées à des ressorts sont attirées par le champ électrique de la lumière. En raison du mouvement des sphères, le système de ressort diffuse la lumière à différentes énergies lorsqu'il est irradié par des ondes trochoïdales dans le sens horaire et antihoraire. Crédit :Link Research Group/Rice University
Un scientifique pourrait vouloir faire la roue après avoir fait une découverte, mais cette fois, la découverte elle-même repose sur des roues de charrette.
Des chercheurs de l'Université Rice ont découvert des détails sur un nouveau type d'interaction lumière-matière polarisée avec la lumière qui se retourne littéralement au fur et à mesure qu'elle se propage à partir d'une source. Leur découverte pourrait aider à étudier des molécules comme celles des antennes de collecte de lumière censées avoir une sensibilité unique au phénomène.
Les chercheurs ont observé l'effet qu'ils appellent dichroïsme trochoïdal dans la lumière diffusée par deux dipôles-diffuseurs couplés, dans ce cas une paire de nanotiges métalliques plasmoniques rapprochées, quand ils étaient excités par la lumière de la roue.
La polarisation de la lumière utilisée par les chercheurs est fondamentalement différente de la polarisation linéaire qui fait fonctionner les lunettes de soleil et de la lumière polarisée circulairement en tire-bouchon utilisée dans le dichroïsme circulaire pour étudier la conformation des protéines et d'autres petites molécules.
Au lieu de prendre une forme hélicoïdale, le champ de lumière est plat car il tourne dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse de la source comme un cerceau roulant. Ce type de polarisation lumineuse, dite polarisation trochoïdale, a été observé précédemment, a déclaré Lauren McCarthy, étudiante diplômée et auteure principale de Rice, mais personne ne savait que les nanoparticules plasmoniques pouvaient être utilisées pour voir comment elles roulaient.
"Maintenant, nous savons comment les polarisations trochoïdales sont liées aux interactions lumière-matière existantes, " dit-elle. " Il y a une différence entre comprendre la lumière et ses propriétés physiques et comprendre l'influence de la lumière sur la matière. L'interaction différentielle avec la matière, en fonction de la géométrie du matériau, est la nouvelle pièce ici."
La découverte par le laboratoire Rice du chimiste Stephan Link est détaillée dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .
L'étudiante diplômée de l'Université Rice, Lauren McCarthy, a dirigé un effort qui a permis de découvrir des détails sur un nouveau type d'interaction de la matière lumineuse polarisée avec la lumière qui se retourne littéralement au fur et à mesure qu'elle se propage à partir d'une source. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Les chercheurs ne cherchaient pas spécifiquement le dichroïsme trochoïdal. Ils généraient un champ évanescent dans une technique qu'ils ont développée pour étudier les nanoparticules d'or chirales afin de voir à quel point, spatialement confinées, la lumière polarisée circulairement à gauche et à droite interagit avec la matière. Les interactions lumineuses à polarisation circulaire se propageant librement sont la clé de plusieurs technologies, y compris des lunettes 3D fabriquées dans des matériaux discriminant les polarisations lumineuses opposées, mais ne sont pas aussi bien compris lorsque la lumière est confinée dans de petits espaces aux interfaces.
Au lieu de la lumière polarisée circulairement utilisée auparavant, les auteurs ont modifié la polarisation de la lumière incidente utilisée afin de générer un champ évanescent avec des ondes tournantes. Les chercheurs ont découvert que les polarisations trochoïdales dans le sens horaire et antihoraire interagissaient différemment avec des paires de nanotiges plasmoniques orientées à 90 degrés les unes des autres. Spécifiquement, les longueurs d'onde de la lumière diffusées par les paires de nanotiges ont changé lorsque la polarisation trochoïdale est passée du sens horaire au sens antihoraire, qui est une caractéristique du dichroïsme.
"Les ondes trochoïdales ont été discutées, et différents groupes ont sondé leurs propriétés et applications, " a déclaré McCarthy. " Cependant, pour autant que nous sachions, personne n'a observé que la géométrie d'un matériau peut permettre des interactions différentielles avec des ondes trochoïdales dans le sens inverse des aiguilles d'une montre et dans le sens des aiguilles d'une montre."
Les molécules interagissent avec la lumière à travers leurs dipôles électriques et magnétiques. Les chercheurs ont noté que les molécules avec des dipôles électriques et magnétiques perpendiculaires les uns aux autres, comme avec les nanoparticules à 90 degrés, ont un mouvement de charge qui tourne dans le plan lorsqu'il est excité. Le dichroïsme trochoïdal pourrait être utilisé pour déterminer le sens de cette rotation, qui révélerait l'orientation moléculaire.
Des dimères de nanotiges d'or auto-assemblés passionnants ont également révélé de subtils effets de dichroïsme trochoïdal, montrant que le phénomène ne se limite pas à des nanoparticules strictement fabriquées et disposées à 90 degrés.
"Ayant longtemps travaillé avec la lumière polarisée interagissant avec des nanostructures plasmoniques, la découverte actuelle est certainement spéciale à plusieurs égards, " a déclaré Link. " Trouver une nouvelle forme d'interaction entre la lumière polarisée et la matière est passionnant en soi. Tout aussi gratifiant a été le processus de la découverte, bien que, comme Lauren et mon ancienne élève, Kyle Smith, m'a poussé à suivre leurs résultats. Au final, c'était un vrai travail d'équipe de la part de tous les co-auteurs dont je suis très fier."
