En modell av forskare från Rice University visar hur två positivt laddade sfärer fästa vid fjädrar attraheras av ljusets elektriska fält. På grund av sfärernas rörelse, fjädersystemet sprider ljus med olika energier när det bestrålas med medurs och moturs trochoidala vågor. Kredit:Link Research Group/Rice University
En vetenskapsman kanske vill göra vagnhjul när han gör en upptäckt, men den här gången bygger själva upptäckten på vagnar.
Forskare vid Rice University har upptäckt detaljer om en ny typ av polariserad ljus-materia-interaktion med ljus som bokstavligen vänder på varandra när det fortplantar sig från en källa. Deras fynd kan hjälpa till att studera molekyler som de i ljusskördande antenner som förväntas ha unik känslighet för fenomenet.
Forskarna observerade effekten de kallar trochoidal dikroism i ljuset som sprids av två kopplade dipolspridare, i det här fallet ett par nära åtskilda plasmoniska metall nanorods, när de blev upphetsade av vagnsljuset.
Den ljuspolarisering som forskarna använde skiljer sig fundamentalt från den linjära polariseringen som får solglasögon att fungera och korkskruvsliknande cirkulärt polariserat ljus som används i cirkulär dikroism för att studera konformationen av proteiner och andra små molekyler.
Istället för att ta en spiralform, ljusfältet är platt när det rullar – roterar antingen medurs eller moturs – bort från källan som en rullande hula hoop. Denna typ av ljuspolarisering, kallas trochoidal polarisation, har observerats tidigare, sa Rice doktorand och huvudförfattare Lauren McCarthy, men ingen visste att plasmoniska nanopartiklar kunde användas för att se hur det rullade.
"Nu vet vi hur trochoidala polarisationer relaterar till existerande ljus-materia-interaktioner, " sa hon. "Det är skillnad mellan att förstå ljuset och dess fysiska egenskaper och att förstå ljusets inflytande på materia. Den differentiella interaktionen med materia, baserat på materialets geometri, är den nya biten här."
Upptäckten av rislabbet av kemisten Stephan Link beskrivs i detalj i Förfaranden från National Academy of Sciences .
Rice Universitys doktorand Lauren McCarthy ledde ett försök som upptäckte detaljer om en ny typ av interaktion med polariserad ljus materia med ljus som bokstavligen vänder på varandra när det fortplantar sig från en källa. Kredit:Jeff Fitlow/Rice University
Forskarna letade inte specifikt efter trochoidal dikroism. De skapade ett flyktigt fält i en teknik som de utvecklade för att studera kirala guldnanopartiklar för att se hur rymdligt begränsade, vänster- och högerhänt cirkulärt polariserat ljus samverkade med materia. Fritt utbredande cirkulärt polariserade ljusinteraktioner är nyckeln till flera tekniker, inklusive 3D-glasögon av material som skiljer mellan motsatta ljuspolarisationer, men är inte lika välförstådda när ljuset är begränsat till små utrymmen vid gränssnitt.
Istället för det cirkulärt polariserade ljuset som användes tidigare, författarna ändrade den infallande ljuspolariseringen som användes för att generera ett flyktigt fält med vagnsvågor. Forskarna fann att de medurs och moturs trochoidala polarisationerna interagerade på olika sätt med par av plasmoniska nanorods orienterade 90 grader från varandra. Specifikt, våglängderna för ljuset som de spridda nanorodparen ändrades när den trochoidala polarisationen ändrades från medurs till moturs, vilket är ett kännetecken för dikroism.
"Trokoidala vågor har diskuterats, och olika grupper har undersökt sina egenskaper och tillämpningar, " sa McCarthy. "Men, så vitt vi vet, ingen har observerat att ett materials geometri kan möjliggöra differentiella interaktioner med trooidala vågor moturs kontra medurs."
Molekyler interagerar med ljus genom sina elektriska och magnetiska dipoler. Forskarna noterade att molekyler med elektriska och magnetiska dipoler som är vinkelräta mot varandra, som med 90-graders nanopartiklar, har laddningsrörelse som roterar i planet när den exciteras. Trochoidal dikroism kan användas för att bestämma riktningen för denna rotation, som skulle avslöja molekylär orientering.
Spännande självmonterade guld nanorod-dimerer avslöjade också subtila trochoidala dikroismeffekter, att visa fenomenet är inte begränsat till strikt tillverkade nanopartiklar arrangerade i 90 grader.
"Efter att ha arbetat med polariserat ljus som interagerar med plasmoniska nanostrukturer under en lång tid nu, den nuvarande upptäckten är verkligen speciell på flera sätt, ", sa Link. "Att hitta en ny form av interaktion med polariserat ljus är spännande i sig. Lika givande var upptäckten, fastän, som Lauren och min tidigare student, Kyle Smith, pressade mig att hänga med i deras resultat. Till slut var det en riktig laginsats av alla medförfattare som jag är mycket stolt över."
