I typiska plasmoniska enheter, elektromagnetiska vågor trängs in i små metallstrukturer, koncentrera energi till dimensioner i nanoskala. På grund av kopplingen av elektronik och fotonik i dessa metallnanostrukturer, plasmoniska enheter skulle kunna utnyttjas för höghastighetsdataöverföring eller ultrasnabba detektormatriser. Dock, att studera plasmoniska fält i enheter i nanoskala utgör en verklig vägspärr för forskare, som att undersöka dessa strukturer i sig förändrar deras beteende.

"Oavsett om du använder en laser eller en glödlampa, ljusets våglängd är fortfarande för stor för att studera plasmoniska fält i nanostrukturer. Vad mer, de flesta verktyg som används för att studera plasmoniska fält kommer att förändra fältfördelningen - det beteende vi hoppas förstå, säger Jim Schuck, en stabsforskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) som arbetar i Imaging and Manipulation of Nanostructures Facility vid Molecular Foundry.

Ljusmikroskopi spelar en grundläggande roll i en forskares repertoar:tekniken är lätt att använda och orsakar inte skada på en noggrant tillverkad elektronisk krets eller känsliga biologiska prov. Dock, ett typiskt föremål av intresse i nanoskala - som en DNA-sträng eller en kvantprick - ligger långt under våglängden för synligt ljus i storlek, vilket innebär att förmågan att särskilja ett sådant objekt från ett annat när de är tätt placerade går förlorad. Forskare utmanar nu denna gräns med hjälp av "lokaliseringstekniker", som räknar antalet fotoner som kommer från ett objekt för att hjälpa till att bestämma dess position.

I tidigare arbeten, Schuck och kollegor på Molecular Foundry, ett U.S. Department of Energy (DOE) Nanoscale Science Research Centers, konstruerade fluga-formade plasmoniska enheter utformade för att fånga, filter och styr ljus på nanoskala. Dessa nanofärgssorterare fungerade som antenner för att fokusera och sortera ljus i små utrymmen till en önskad uppsättning färger eller energier – avgörande för filter och andra detektorer.

I detta senaste framsteg, Schuck och hans Berkeley Lab-team använde sitt innovativa bildkoncept för att visualisera plasmoniska fält från dessa enheter med upplösning i nanoskala. Genom att avbilda fluorescens från guld i flugan och maximera antalet fotoner som samlas in från deras bowtie-enheter, teamet kunde ta reda på positionen för plasmoniska lägen – laddningssvängningar som resulterar i optisk resonans – bara några nanometer från varandra.

"Vi undrade om det fanns ett sätt att använda ljus som redan finns i våra bowties - lokaliserade fotoner - för att undersöka dessa fält och fungera som reporter, säger Schuck. "Vår teknik är också känslig för brister i systemet, såsom små strukturella brister eller storlekseffekter, föreslår att vi skulle kunna använda den här tekniken för att mäta prestandan hos plasmoniska enheter i både forsknings- och utvecklingsmiljöer."

Parallellt med Schucks experimentella fynd, Jeff Neaton, Direktör för Molecular Foundry's Theory of Nanostructured Materials Facility och Alex McLeod, en student som arbetar på gjuteriet, utvecklat en webbaserad verktygslåda, designad för att beräkna bilder av plasmoniska enheter med öppen källkod utvecklad vid Massachusetts Institute of Technology. För denna studie, forskarna simulerade en justering av strukturen hos en antenn med dubbla bowtie med några nanometer för att studera hur en förändring av storleken och symmetrin hos en plasmonisk antenn påverkar dess optiska egenskaper.

"Genom att ändra sin struktur med bara några nanometer, vi kan fokusera ljus på olika positioner inuti flugan med anmärkningsvärd säkerhet och förutsägbarhet, sa McLeod. "Detta arbete visar att dessa optiska antenner i nanoskala resonerar med ljus precis som våra simuleringar förutspår."

Användbar för forskare som studerar plasmoniska och fotoniska strukturer, denna verktygslåda kommer att finnas tillgänglig för nedladdning på nanoHUB, en beräkningsresurs för nanovetenskap och teknik skapad genom National Science Foundations Network for Computational Nanotechnology.

"Detta arbete exemplifierar verkligen det allra bästa av vad Molecular Foundry handlar om, sade Neaton, som också är tillförordnad biträdande direktör för Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning. "Tre separata gjuterianläggningar - bildbehandling, Nanotillverkning och teori – samarbetade för ett betydande framsteg i vår förståelse av hur synligt ljus kan lokaliseras, manipulerad, och avbildad i nanoskala."

En artikel som rapporterar denna forskning med titeln, "Icke-perturbativ visualisering av plasmoniska fältfördelningar i nanoskala via fotonlokaliseringsmikroskopi, ” dyker upp i Fysiska granskningsbrev och är tillgänglig för prenumeranter online. Samförfattare av tidningen med Schuck, McLeod och Neaton var Alexander Weber-Bargioni, Zhaoyu Zhang, Scott Dhuey, Bruce Harteneck och Stefano Cabrini.

Delar av detta arbete vid Molecular Foundry stöddes av DOE:s Office of Science. Stöd för detta arbete gavs också av National Science Foundation genom Network for Computational Nanotechnology.