Des chercheurs de l'Université Rice qui étudient l'effet de la lumière sur les moulinets (à gauche) et les nanoparticules d'or en forme de C (à droite) ont trouvé un effet inconnu sur les particules individuelles. La stimulation juste des particules a produit une modulation presque parfaite de la lumière qu'elles diffusent via leur réponse plasmonique. La découverte peut devenir utile dans le développement de puces pour les composants optiques de prochaine génération pour les ordinateurs et les antennes. Crédit : Groupe de recherche Link/Université Rice
Des chercheurs de l'Université Rice ont découvert une forme fondamentalement différente d'interaction lumière-matière dans leurs expériences avec des nanoparticules d'or.
Ils ne le cherchaient pas, mais les étudiants du laboratoire du chimiste de Rice, Stephan Link, ont découvert que l'excitation des particules microscopiques produisait une modulation presque parfaite de la lumière qu'elles diffusent. La découverte peut devenir utile dans le développement de la prochaine génération, composants optiques ultrapetits pour ordinateurs et antennes.
Un article sur la recherche paraît dans le journal de l'American Chemical Society ACS Nano .
Le travail découle des interactions complexes entre la lumière et les particules métalliques plasmoniques qui absorbent et diffusent la lumière de manière extrêmement efficace. Les plasmons sont des quasi-particules, excitations collectives qui se déplacent en ondes à la surface de certains métaux lorsqu'elles sont excitées par la lumière.
Les chercheurs de Rice étudiaient les structures plasmoniques en forme de moulinet de nanoparticules d'or en forme de C pour voir comment elles réagissaient à la lumière polarisée circulairement et à son champ électrique tournant. surtout quand la maniabilité, ou le sens de rotation de la polarisation, a été inversé. Ils ont alors décidé d'étudier des particules individuelles.
"Nous l'avons ramené au système le plus simple possible où nous n'avions qu'un seul bras du moulinet, avec une seule direction de lumière incidente, " a déclaré Lauren McCarthy, un étudiant diplômé du laboratoire Link. "Nous ne nous attendions pas à voir quoi que ce soit. Ce fut une surprise totale lorsque j'ai mis cet échantillon sur le microscope et que j'ai tourné ma polarisation de gauche à droite. J'étais comme, « Est-ce qu'ils s'allument et s'éteignent ? » Ce n'est pas censé arriver."
La lumière polarisée circulairement délivrée à un angle particulier à des nanoparticules d'or en forme de C a produit une réponse plasmonique comme jamais découverte auparavant, selon les chercheurs de l'Université Rice. Lorsque la lumière polarisée incidente est passée de gaucher (bleu) à droitier (vert) et inversement, la lumière des plasmons s'allumait et s'éteignait presque complètement. Crédit : Groupe de recherche Link/Université Rice
Elle et le co-auteur principal Kyle Smith, un ancien élève de Rice, ont dû aller en profondeur pour comprendre pourquoi ils ont vu cette "modulation géante".
Au début, ils savaient que projeter une lumière polarisée à un angle particulier sur la surface de leur échantillon de nanoparticules d'or fixées à un substrat de verre créerait un champ évanescent, une onde électromagnétique oscillante qui chevauche la surface du verre et piège la lumière comme des miroirs parallèles, un effet connu sous le nom de réflexion interne totale.
Ils savaient également que la lumière polarisée circulairement est composée d'ondes transversales. Les ondes transversales sont perpendiculaires à la direction dans laquelle la lumière se déplace et peuvent être utilisées pour contrôler la sortie plasmonique visible de la particule. Mais quand la lumière est confinée, des ondes longitudinales se produisent également. Là où les ondes transversales se déplacent de haut en bas et d'un côté à l'autre, les ondes longitudinales ressemblent à des gouttes pompées à travers un tuyau (comme illustré en secouant un Slinky).
Ils ont découvert que la réponse plasmonique des nanoparticules d'or en forme de C dépend des interactions déphasées entre les ondes transversales et longitudinales dans le champ évanescent.
Pour le moulinet, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient modifier l'intensité de la lumière émise jusqu'à 50 % en changeant simplement l'orientation de l'entrée de lumière polarisée circulairement, changeant ainsi la phase relative entre les ondes transversales et longitudinales.
Lauren McCarthy, étudiante diplômée de l'Université Rice, ajuste le polariseur qu'elle a utilisé pour découvrir une forme fondamentalement différente d'interaction lumière-matière lors d'expériences avec des nanoparticules d'or. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Lorsqu'ils ont décomposé l'expérience en individuel, Nanoparticules d'or en forme de C, ils ont trouvé que la forme était importante pour l'effet. La modification de la latéralité de l'entrée polarisée a provoqué l'activation et la désactivation presque complètes des particules.
Les simulations de l'effet par le physicien de Rice Peter Nordlander et son équipe ont confirmé l'explication de ce que les chercheurs ont observé.
"Nous savions que nous avions un champ évanescent et nous savions qu'il pourrait faire quelque chose de différent, mais nous ne savions pas exactement quoi, " a déclaré McCarthy. " Cela n'est devenu clair pour nous jusqu'à ce que nous ayons fait les simulations, nous disant ce que la lumière excitait réellement dans les particules, et voyant qu'il correspond réellement à ce à quoi ressemble le champ évanescent.
"Cela nous a conduit à réaliser que cela ne peut pas s'expliquer par le fonctionnement normal de la lumière, " a-t-elle dit. "Nous avons dû ajuster notre compréhension de la façon dont la lumière peut interagir avec ce genre de structures."
La forme de la nanoparticule déclenche l'orientation de trois dipôles (concentrations de charge positive et négative) sur les particules, dit McCarthy.
Vu sous l'objectif d'un microscope, Des chercheurs de l'Université Rice ont découvert que la lumière polarisée circulairement - polarisée circulairement à droite (RCP) est montrée ici - avait la capacité de modifier considérablement la sortie plasmonique des nanoparticules d'or en forme de C. L'entrée de lumière a déclenché la modification en décalant la relation de phase des ondes transversales et longitudinales dans un champ évanescent excitant la particule. Cela contrôlait à son tour le niveau de réponse plasmonique. La lettre k représente la direction de la lumière entrante sur la particule après son passage à travers un prisme. Crédit :Link Research Group/Rice University
"Le fait que le demi-anneau ait un rayon de courbure de 100 nanomètres signifie que la structure entière prend une demi-longueur d'onde de lumière, " dit-elle. " Nous pensons que c'est important pour exciter les dipôles dans cette orientation particulière. "
Les simulations ont montré que l'inversion de la polarisation de la lumière incidente et le déphasage des ondes inversaient la direction du dipôle central, réduisant considérablement la capacité du demi-anneau à diffuser la lumière en un seul incident. La polarisation du champ évanescent explique alors l'effet d'allumage et d'extinction presque complet des structures en forme de C.
"De façon intéressante, nous avons en quelque sorte bouclé la boucle avec ce travail, " a déclaré Link. " Les surfaces métalliques plates supportent également les plasmons de surface comme les nanoparticules, mais ils ne peuvent être excités qu'avec des ondes évanescentes et ne se dispersent pas dans le champ lointain. Ici, nous avons découvert que l'excitation de nanoparticules de forme spécifique à l'aide d'ondes évanescentes produit des plasmons avec des propriétés de diffusion différentes de celles excitées par la lumière en espace libre. »
