Design och tillverkning av 3D Janus plasmoniska spiralformade nanoöppningar. (a) Ett schematiskt diagram av den 3D Janus plasmoniska spiralformade nanoöppningen i två enantiomera former:Form A och Form B. De geometriska parametrarna är p = 380 nm, r0 =160 nm, r1 = 110 nm, θ =90 °, och H =180 nm. För formulär B på den nedre raden, djupet av gradientspårdelen ökar längs den röda pilen, medan bländardelen indikeras med den blå dubbelpilen. (b) En illustration av den gråskala fokuserade jonstrålfräsmetoden. (c) Det experimentellt erhållna malningsdjupet som en funktion av den applicerade jondosen. (d) Normaliserade jondosfördelningar och SEM-bilder av de tillverkade 3D-spiralformade nanoöppningarna. Sidovy bilderna fångas med en visuell vinkel på 52 ° mot ytan normal. De röda streckade pilarna anger i vilken riktning spårdjupet ökar. Skalstaplarna är 200, 100, och 100 nm från vänster till höger. Kredit:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0156-8
Heliska plasmoniska nanostrukturer har väckt stor uppmärksamhet inom materialvetenskap och kemi på grund av deras inneboende optiska kiralitet. I en ny rapport, Yang Chen och ett forskargrupp vid avdelningen för mekanisk och rymdteknik i USA utvecklade unika 3D-Janus (nanopartiklar med två eller flera ytegenskaper) plasmoniska spiralformade nanoöppningar (spiralformade hål), med riktningsstyrd polarisationskänslighet. De konstruerade de spiralformade strukturerna med hjälp av en-stegs gråskalefokuserad jonstrålefräsning (FIB). Chen et al. kodade sedan Janus-metaytan med två enantiomerer med nanoöppning (vänster- och högerhänta spegelbildsmolekyler av varandra) med specifika rotationsvinklar för att demonstrera riktningskontrollerad polarisationsdatakryptering för första gången.
Proverna som konstruerades i arbetet möjliggjorde selektiv överföring av vissa typer av polariserat ljus, samtidigt som man blockerar andra. Denna känslighet för polarisering berodde på det inkommande ljusets riktning; till exempel, ljus i en specifik riktning fick matriserna att producera binära bilder, medan ljus i motsatt riktning skulle kunna återge gråskala fotografier. Chen et al. Tänk dig att använda de föreslagna Janus spiralformade nanoöppningarna för en mängd olika applikationer, allt från polarisationskontroll inom inbyggda fotoniska enheter, avancerad enantiomeravkänning, datakryptering och dekryptering samt optisk informationsbehandling. De nya resultaten publiceras nu i Ljus:Vetenskap och applikationer .
Chiralitet definierades först av Lord Kelvin för att beskriva vilken geometrisk figur som helst vars spegelbild inte kunde sammanfalla med sig själv. Egenskapen är allestädes närvarande i biologiska objekt som sträcker sig från små biomolekyler som aminosyror och nukleotider till större makromolekyler som proteiner och nukleinsyror, och även våra händer och fötter. Medan de vänsterhänta och högerhänta versionerna av en molekyl känd som enantiomerer kan ha liknande kemiska och fysikaliska egenskaper, de kan utföra helt olika biologiska funktioner inom olika användningsområden.
Design och tillverkning av 3D Janus plasmoniska spiralformade nanoöppningar. Normaliserade jondosfördelningar och SEM -bilder av de tillverkade 3D -spiralformade nano -öppningarna i form A och form B -enantiomerer. Sidovybilderna fångas med en visuell vinkel på 52 ° mot ytan normalt. De röda streckade pilarna indikerar i vilken riktning spårdjupet ökar. Skalstaplarna är 200, 100, och 100 nm från vänster till höger. Kredit:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0156-8 
Materialforskare har tidigare använt två-foton direkt laserskrivning följt av ett elektropläteringsteg för att producera en 3-D plasmonisk helix, som hade rumsliga upplösningsgränser i mikroskalan under applikationer i det synliga och nära IR-spektrumet. Liknande, fokuserad elektron/jonstråleinducerad avsättning kan skala den spiralformade strukturen till nanostrukturen, men metoden saknade hastighet för storskalig produktion. Som en konsekvens, Litografianläggningar med högupplöst inriktning och känsliga operationer krävs för närvarande för att bekvämt och snabbt tillverka plasmoniska spiralformade nanostrukturer med gigantiska CD-signaler.
Optiska egenskaper hos den 3D Janus plasmoniska spiralformade nanoöppningen i riktning framåt. (a) Simulerade och (b) uppmätta transmissionsspektra för den spiralformade nanoaperturuppsättningen i form A för olika kombinationer av infallande/utgångshandedness i framåtriktningen, tillsammans med motsvarande CDTF-spektra. (c) Den uppmätta överföringsintensiteten som en funktion av azimuthalvinkeln α för LP -infallande ljus vid 830 nm. (d) Simulerade och (e) uppmätta reflektionsspektra och absorptionsspektra under RCP (högerhänt cirkulärt polariserad) och LCP (vänsterhänt cirkulärt polariserad) incidens i framåtriktningen. (f) Illustrationer av kopplingsprocesserna för spinnberoende läge inuti 3D-spiralformade nanoöppningar i Form A och Form B, som kan betraktas som serier av kaskadvågledarsegment (WG n − 1, WG n, WG n+1, ..). Cirkulärt dikroiska modfördelningar presenteras inuti vågledarsegmentet WGn vid 812 nm. (g) Elektriska fältfördelningar 6 nm över utgångsplanet för den spiralformade nanoöppningen i form A under RCP- och LCP-incidens vid 812 nm. h Optiska effektflödesfördelningar inuti den spiralformade nanoöppningen i Form A under RCP- och LCP -incidens vid 812 nm. Kredit:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0156-8
I det nuvarande arbetet, Chen et al. etsade 3D-Janus plasmoniska spiralformade nanoöppningar på en enda, optiskt tjock guldfilm med en bågformad bländare och bågformad lutningsspår ansluten ände till ände med varandra. Baserat på djupet av lutningsspåret, som ökades antingen medurs eller moturs, de kirala spiralformade nanoöppningarna existerade i två enantiomera former som versioner "A" och "B" som var spegelsymmetriska till varandra. Forskarna applicerade en hög dos Ga + joner under processen med fokuserad jonstrålfräsning och justerade jonstrålens fokus och astigmatism för att bilda 3D-spiralformade nanoöppningsarrays med tillfredsställande enhetlighet.
De studerade sedan de chiroptiska egenskaperna hos 3-D plasmoniska spiralformade nanoöppningar i riktning framåt, när det cirkulärt polariserade ljuset (CPL) belystes på guldytan och sändes ut från kiseldioxidsubstratet inom den experimentella inställningen. Den numeriska simuleringen som utfördes med COMSOL Multiphysics och de experimentella resultaten av studien sammanföll med varandra, och Chen et al. krediterade alla experimentella avvikelser till fabrikationsfel i FIB -systemet.
Riktningsstyrd polarisationskrypterad datalagring med Janus-metasytan. (a) Ett schematiskt diagram över Janus-metasytan för riktningsstyrd polariseringskrypterad datalagring. (Foto använt med tillstånd:Niels Henrik David Bohr (1885–1962) dansk fysiker. Quantum Theory. Nobelpris för fysik 1922/Universal History Archive/UIG/Bridgeman Images.) (B) En illustration av metasytans kodningsprocess med de två nanoöppnings -enantiomerer med specifika rotationsvinklar. (c) Den normaliserade transmissionsintensiteten för LP-ljus i riktning bakåt, som följer Malus lag med avseende på vinkeln θ mellan den infallande polarisationsriktningen och överföringsaxeln för 3D -spiralformad nanoöppning. (d) Fångade överföringsbilder av Janus-metaytan vid 800 nm i både framåt- och bakåtriktningen för olika infallande polarisationer. Skalstapel:10 μm. Kredit:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0156-8
Forskarna modellerade 3D-spiralformade nanoöppningar som en serie kaskadbågformade vågledarsegment för att uppnå den förväntade optiska kiraliteten. Om CPL -värdet (cirkulärt polariserat ljus) överensstämde med gradientspårets, den inkommande optiska effekten kan samlas in i bländarområdet längs med gradientspåret för att producera en stark överföring i den experimentella inställningen.
Chen et al. bestämde sedan de optiska egenskaperna hos den 3-D Janus plasmoniska spiralformade nanoöppningen i bakåtriktningen. För detta, de belyste ljuset in i kiseldioxidsubstratet för att överföra det från guldytan för att erhålla nästan liknande intensitet i bakåtriktningen, resultaten visade gigantisk linjär dikroism (inte cirkulär dikroism) med cirkulärt polariserat ljus.
Bredbandsprestanda för Janus metasurface. Bilderna tas under korrekta belysningsförhållanden för riktning och polarisering vid 690, 745, 800, 845, och 890 nm. Skalstapel:10 μm. Kredit:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0156-8
Baserat på dessa resultat, Chen et al. kodade Janus-metasytan för att konstruera en binär QR-kod (snabbrespons) -kodbild i riktning framåt under högerhänt cirkulärt polariserad (RCP) belysning. I det andra steget, de kodade en gråskalebild i bakåtriktningen under linjärt polariserat ljus. De kunde koda information på samma Janus-metasyta utan ömsesidig störning och avslöja QR-kodbilden när de bara belyste högerhänta ljuset i riktning framåt för att dekryptera och ansluta till ett kodat meddelande som länkar Wikipedia-webbplatsen för fysikern Niels Bohr. Chen et al. testade bredbandsprestandan hos Janus-metasytan för att särskilja QR-kodbilden med en QR-kodskanner vid 690 nm, sträcker sig upp till 890 nm.
På det här sättet, Chen et al. introducerade en ny typ av 3D-Janus plasmonisk nanoöppning med riktningskopplad polarisationskänslighet. De tillverkade enheten med FIB-fräsning i ett steg i gråskala. De unika optiska egenskaperna hos 3D-spiralformade nanoöppningar gjorde det möjligt för dem att kryptera och dekryptera data med riktningskontrollerad ljuspolarisering. Arbetet kommer att ha ytterligare, nästa generations applikationer som multifunktionella polarisatorer, högupplösta skärmar och i optisk informationsbehandling.
© 2019 Science X Network
