Inom materialvetenskap, akromatiska optiska komponenter kan utformas med hög transparens och låg spridning. Materialforskare har visat att även om metaller är mycket ogenomskinliga, tätt packade matriser av metalliska nanopartiklar med mer än 75 volymprocent metall kan bli mer transparenta för infraröd strålning än dielektriska ämnen som germanium. Sådana matriser kan bilda effektiva dielektriska material som är praktiskt taget dispersionsfria över ultrabredband av våglängder för att konstruera en mängd olika nästa generations metamaterialbaserade optiska enheter.

Forskare kan justera de lokala brytningsindexen för sådana material genom att ändra storleken, form och avstånd mellan nanopartiklar för att designa gradientindexlinser som styr och fokuserar ljuset på mikroskala. Det elektriska fältet kan vara starkt koncentrerat i luckorna mellan metalliska nanopartiklar för samtidig fokusering och 'klämning' av det dielektriska fältet för att producera starka, dubbel förbättrade hotspots. Forskare kan använda dessa hotspots för att öka mätningar som görs med infraröd spektroskopi och andra icke-linjära processer över ett brett frekvensområde.

I en ny studie som nu publicerats i Naturkommunikation , Samuel J. Palmer och ett tvärvetenskapligt forskargrupp vid institutionerna för fysik, Matematik och nanoteknik i Storbritannien, Spanien och Tyskland, visade att artificiell dielektrik kan förbli mycket transparent för infraröd strålning och observerade detta resultat även när partiklarna var nanoskopiska. De visade att det elektriska fältet tränger in i partiklarna (vilket gör dem ofullkomliga för ledning) för att starka interaktioner ska uppstå mellan dem i ett tätt packat arrangemang. Resultaten kommer att göra det möjligt för materialforskare att designa optiska komponenter som är akromatiska för applikationer i mitten till infrarött våglängdsområde.

Palmer och kollegor kunde justera det lokala brytningsindexet för dessa komponenter genom att ändra storleken, form och avstånd mellan nanopartiklar med känslighet för det omgivande brytningsindexet i den omgivande miljön. Forskarna förstärkte det elektriska fältet i luckorna mellan de metalliska nanopartiklarna i gruppen och utnyttjade samtidigt deras transparens, justerbarhet och hög metallisk fyllningsfraktion för att designa ett linsindexlins. Arbetet fokuserade ljuset på mikroskala och pressade det elektriska fältet i nanoskalan för att producera den dubbelförbättrade elektriska fälthotspoten i hela det infraröda (IR) området. Forskarna föreställer sig att det nya arbetet kommer att öka mätningar som görs med IR-spektroskopi och andra olinjära processer över ett brett spektrum av frekvenser.

Materialforskare kan för närvarande utveckla nya och avancerade material; dock, inget nytt material är verkligen homogent i sin konstitution. Ändå, de flesta material kan karakteriseras med hjälp av homogena mikroskopiska egenskaper såsom brytningsindex där de atomistiska inhomogeniteterna är mindre än de genomsnittliga våglängderna för optiskt ljus som infaller på materialet. Artificiellt konstruerade material som kallas metamaterial beskrivs med ett effektivt index när materialet innehåller en struktur som är tillräckligt subvåglängd. Tidiga metamaterial inkluderade konstgjorda dielektrikar bestående av centimeterskala uppsättningar av metalliska partiklar som kan styra och fokusera radiovågor som ett dielektrikum. Metallpartiklarna i tidiga konstgjorda dielektriska material var så stora att de betedde sig som perfekta ledare med hög genomskinlighet för radiovågor. Ny forskning inom materialvetenskap syftar till att bygga effektiva dielektrikar för det synliga och infraröda spektrumet med hjälp av nanoskala metalliska partiklar. Framsteg i montering av metalliska nanopartiklar kan sedan möjliggöra sofistikerad konstruktion av oöverträffade ljusmaterialinteraktioner i den optiska domänen.

I det nuvarande arbetet, Palmer et al. kontrasterade genomskinligheten för nanocylindermatriser och nanosfärer (även om nanopartiklar kan ha andra former) mot germanium för att visa att matriserna kan styra och fokusera ljus. Nanocylindrarnas grupper uppförde sig som effektiva dielektrikar med transversalt elektriskt polariserat ljus; där en tvärgående kraft på elektronerna ledde till oscillerande ytladdningar som efterliknade de oscillerande dipolerna i en atom i ett verkligt dielektrikum.

I kontrast, cylindrarnas svar på tvärgående magnetiskt polariserat ljus liknade bulkmetallen, eftersom elektroner var fria att röra sig under inverkan av det longitudinella elektriska fältet utan att stöta på cylinderytorna. Nanosfärernas matriser i studien betedde sig som effektiva dielektrikar, oberoende av den inträffande polarisationen - fokusera elektronerna i valfri riktning för att resultera i ytladdningar som imiterade de oscillerande dipolerna i ett dielektrikum. Sådana matriser visade hög transparens jämfört med verkliga dielektrikar som germanium - även när systemet hade högre än 75 procent metall.

För att testa riktigheten i den föreslagna teorin, Palmer et al. producerade en högordnad kolloidal superkristall med guldnanopartiklar med en diameter på 60 nm. De avsatte superkristallen på ett germaniumsubstrat och karakteriserade materialet (testade fysiska egenskaper) med hjälp av en UV-vis-NIR-spektrofotometer. Forskarna observerade enastående transparens av materialen, visar möjligheten att experimentellt producera metamaterial. Med hjälp av magnetiska närfält, de visade att den effektiva dielektriken var tillräckligt transparent för att fungera som mikrometer-linser för infraröd strålning. Trots att den innehåller 82 volymprocent metall, forskarna observerade att genom att bryta det fasta guldet i en rad guldnanocylindrar producerades en transparent lins som kan fokusera ljus, som liknar beteendet hos en homogen dielektrisk lins.

Forskarna jämförde sedan olika typer av metaller (aluminium, silver, guld och titan) för att visa att material med längre huddjup producerade de mest transparenta och minst spridande nanopartiklarna. Palmer et al. visade att vid en fast våglängd, förhållandet mellan partikeldiametern och metallens skinndjup avgör om partikeln skulle bete sig som kvasipartikeldipoler eller som perfekta ledare.

Förutom hög transparens, forskarna kunde justera systemet genom att kontrollera storleken, partiklarnas form och utrymme. Till exempel, Palmer et al. kontrollerade bildförhållandet mellan arrays av elliptiska cylindrar för att visa att materialets anisotropa svar kunde justeras. De numeriska resultaten visade att det effektiva indexet lätt kunde ställas in för att variera med mer än 50 procent när systemet roterades. Därigenom kunde forskarna justera det effektiva indexet genom att fixera partikelpositionerna och justera deras storlekar.

För att markera denna potential att ställa in det lokala effektiva indexet, Palmer et al. konstruerade sedan en gradient-index (GRIN) -lins med triangulära galler av guldcylindrar och varierade diametrarna på cylindrarna med position. Med GRIN -linsen, forskarna kunde samtidigt fokusera ljuset på mikroskala och sedan "pressa" ljuset på nanoskala för att producera det intensiva, '' dubbel förbättrade '' elektriska fält -hotspots. Till skillnad från plasmoniska förbättringar, effekten var inte beroende av förlustaktiga resonanser, visar bredband och lågförlustegenskaper.

De visade att kontaktpunkten för GRIN -linsen måste sammanfalla med området för närmaste förpackning för att maximera klämning av det elektriska fältet. Till skillnad från magnetfält som var kontinuerliga över luft-metallgränssnitten i studien, det elektriska fältet starkt lokaliserat i luckorna. Som ett resultat, klämning av en 2 µm våglängd i 2 nm luckor gav starka hotspots med hög intensitet i studien.

På det här sättet, Palmer et al. konstruerad låg förlust, effektiv dielektrik från matriser av metalliska nanopartiklar. Forskarna erhöll mycket genomskinliga matriser som överskred transparensen för verkliga dielektrikar som germanium; känd för sin transparens för lågenergistrålning. De kunde också lokaljustera och kontrollera storleken, form och utrymme för partiklarna som bildar de nya metamaterialen. Forskarna visade att det effektiva indexet var väsentligen konstant för alla våglängder större än 2 µm. Detta arbete kommer att göra det möjligt för materialforskare att designa och konstruera sofistikerade optiska enheter med metamaterial som styr eller förbättrar ljus över ett brett spektrum av frekvenser, väsentligen utan en övre gräns för våglängd.

© 2019 Science X Network