I åratal, forskare har länge brottats med kontroll och manipulation av ljus, en mångårig vetenskaplig ambition med stora konsekvenser för teknikutvecklingen. Med tillväxten i nanofotonik, forskare gör vinster snabbare än någonsin och utnyttjar strukturer med dimensioner som är jämförbara med ljusets våglängd.

Forskare vid University of New Mexico som studerar området nanofotonik utvecklar nya perspektiv som aldrig setts tidigare genom sin forskning. I tur och ordning, förståelsen av dessa teoretiska begrepp gör det möjligt för fysiska forskare att skapa mer effektiva nanostrukturer.

Forskningen, säger biträdande professor Alejandro Manjavacas, vid Institutionen för fysik och astronomi vid University of New Mexico i en uppsats med titeln "Hybridization of Lattice Resonances, "undersöker hur periodiska uppsättningar av nanosfärer eller atomer interagerar med ljus. Dessa system skapas genom att upprepa en enhetscell periodiskt, ungefär som ett schackbräde görs genom att upprepa två olika färgade rutor i ett mönster. Tidigare, majoriteten av forskningen fokuserade endast på strukturer med enhetsceller gjorda av ett enda element, som om varje ruta på schackbrädet hade en enda färg. Deras forskning går utöver detta, möjliggör valfritt antal färger så länge de är ordnade i ett upprepande mönster.

"Medan jag bidrar till den grundläggande förståelsen av en uppsjö av nya fysiska fenomen, denna teoretiska forskningsinsats hjälper till att förstå hur ljus interagerar med nanoskalaobjekt och hjälper till att skapa grunden för utvecklingen av nya mekanismer för att manipulera ljus i nanoskala, som är nyckeln till att förverkliga nästa generation av nanofotoniska applikationer, "Manjavacas säger i tidningen som nyligen publicerades i ACS Nano , en toppublikation inom området nanofotonik.

Forskningens övergripande mål var att öppna och ytterligare nya vägar inom plasmonik, ett forskningsfält som fokuserar på att förstå samspelet mellan ljus och metalliska nanostrukturer, som syftar till att utveckla nya applikationer inom nanofotonik. Som en del av detta arbete, forskarna utvecklade en kraftfull modell för att förstå hur ordnade arranger av nanostrukturer interagerar med ljus. Denna modell kan användas för att förutsäga det optiska svaret för ensembler av nanopartiklar med mycket komplicerade mönster, som kan utnyttjas för att konstruera optiska egenskaper som är användbara för många applikationer:

"Till exempel, dessa system kan utgöra en mångsidig plattform för utveckling av kompakta biosensorer som kan övervakas, i realtid, halterna av olika ämnen som är relevanta för hälso- och sjukvården, "sade Manjavacas." Vidare, de kan också användas för att förbättra solcellernas prestanda och för att designa effektivare fotodetektorer. "

Detaljerna

Som en del av forskningen, Manjavacas och hans team komponerade av Sebastian Baur, en besökande doktorand från Tyskland, och Stephen Sanders, en doktorand i fysik och astronomi, undersökte de optiska egenskaperna hos periodiska uppsättningar av plasmoniska nanopartiklar med celler med flera partiklar. Specifikt, de sökte förstå hur geometrin för komplexa arrangemang av plasmoniska nanostrukturer kan utnyttjas för att styra deras optiska svar.

De studerade matriser bestående av tvåpartikel-enheter, i vilken interaktionen mellan de olika partiklarna kan avbrytas eller maximeras genom att styra deras relativa position inom enhetscellen. De hittade också matriser vars svar kan göras antingen invariant för polariseringen av det infallande ljuset eller starkt beroende av det. Båda dessa exempel visar hur deras komplexa geometrier kan användas för att utöva kontroll över matrisernas svar.

Manjavacas och hans team utforskade också system med celler med tre och fyra partiklar, som ett schackbräde med tre eller fyra olika typer av färgade rutor, och visade att de kan utformas för att stödja resonanser med komplexa svarsmönster där olika grupper av partiklar i enhetscellen selektivt kan exciteras.

"Resultaten av detta arbete tjänar till att främja vår förståelse av periodiska uppsättningar av nanostrukturer och tillhandahålla en metod för att designa periodiska strukturer med konstruerade egenskaper för applikationer inom nanofotonik, "sa han." I synnerhet vi visar det, genom att styra partiklarnas relativa position i enhetscellen, det är möjligt att helt manipulera systemets optiska svar. "