Ramanspektroskopi är en kraftfull teknik för att analysera atomstruktur baserad på den oelastiska spridningen av ljus från molekyler, med olika tillämpningar inklusive medicinsk bildbehandling och kemisk avkänning. Forskare har funnit att nanostrukturer kan förstärka effekten av Raman-spridning och på så sätt förbättra Raman-teknikens känslighet. Akustiska vibrationer kan ge ytterligare förstärkning av Raman-spridningseffekten genom spännande kollektiva elektronoscillationer, känd som ytplasmoner, som bidrar till ljusspridning. Särskilt, det har visat sig att spridningen kan intensifieras av vibrerande nanopartiklar tillsammans med specialbyggda resonatorer, men fram till nu har det funnits en begränsad förståelse för de interaktioner som uppstår under sådana vibrationer.

Sudhiranjan Tripathy och medarbetare från A*STAR Institute of Material Research and Engineering, samarbetar med Adnen Mlayah och kollegor från National Centre of Scientific Research (CNRS) i Frankrike, har nu upptäckt hur interaktioner mellan ytplasmoner som produceras av en triad av guldnanoskivor och akustiska vibrationer i sfäriska guldnanopartiklar kan förstärka Raman-spridningseffekterna.

"Vi undersökte de dynamiska egenskaperna hos metalliska föremål i nanoskala, säger Tripathy. "Kopplingsmekanismerna mellan akustiska vibrationer och ytplasmoner är inte väl förstådda och behöver undersökas både teoretiskt och experimentellt, så vi fokuserade på detta område, kombinerar vår expertis inom nanotillverkning med optisk spektroskopi.”

Tripathy och hans medarbetare mätte Raman-spridningen från guldnanopartiklarna med och utan guld "trimers" på plats. Teamet observerade en signifikant ökning av spridningsintensiteten när de vibrerande nanopartiklarna kopplades till trimerresonatorerna. Trimrarna fungerar effektivt som högtalare, förstärker spridningen av ljus från partiklarna (se bild). "Förbättringen av ljusspridningen gjorde det möjligt för oss att mäta åtta Raman-egenskaper som är förknippade med vibrationslägena hos de sfäriska guldnanopartiklarna, säger Mlayah. "Vanligtvis, endast två eller tre egenskaper observeras i standard lågfrekventa Raman-experiment."

Den ökade spridningsintensiteten har tillskrivits "hot spots" i trimerernas elektriska fält, vilket leder till ytterligare excitation av plasmonerna. Tidigare studier har bara fokuserat på nanopartiklar som källa till ytplasmoner, och övervakade spridningsreaktionen på vibrationer enbart på det föremålet. Detta är den första studien som använder två olika källor - akustiska vibrationer och ytplasmoner - för att producera fördelaktiga effekter.

Genom att konstruera ytplasmoner på detta sätt, forskarna kan få tät kontroll över spridningsegenskaperna. "Vårt framtida arbete inom detta område kommer att involvera tillämpningar inom kemisk avkänning och biosensorer, säger Tripathy.