Forskare vid University of Ottawa har avslöjat den decennium gamla myten om att metaller är värdelösa i fotonik - vetenskapen och tekniken för ljus - med sina upptäckter, nyligen publicerad i Naturkommunikation, förväntas leda till många tillämpningar inom området nanofotonik.

"Vi slog rekordet för resonanskvalitetsfaktorn (Q-faktor) för en periodisk uppsättning metallnanopartiklar med en storleksordning jämfört med tidigare rapporter, " sa seniorförfattaren Dr Ksenia Dolgaleva, Kanada forskarstol i integrerad fotonik (Tier 2) och docent vid School of Electrical Engineering and Computer Science (EECS) vid University of Ottawa.

"Det är ett välkänt faktum att metaller är mycket förlustiga när de interagerar med ljus, vilket innebär att de orsakar förlust av elektrisk energi. De höga förlusterna äventyrar deras användning inom optik och fotonik. Vi demonstrerade ultrahöga Q-resonanser i en metayta (en artificiellt strukturerad yta) som består av en rad metallnanopartiklar inbäddade i ett plant glassubstrat. Dessa resonanser kan användas för effektiv ljusmanipulering och förbättrad ljus-materia-interaktion, visar att metaller är användbara inom fotonik."

"I tidigare verk, forskare försökte mildra de negativa effekterna av förluster för att få tillgång till gynnsamma egenskaper hos nanopartiklar av metall, " observerade medförfattaren till studien Md Saad Bin-Alam, en doktorand i uOttawa i EECS.

"Dock, deras försök gav inte någon signifikant förbättring av kvalitetsfaktorerna för arrayernas resonanser. Vi implementerade en kombination av tekniker snarare än ett enda tillvägagångssätt och fick en förbättring i storleksordning som demonstrerade en metallnanopartikelmatris (metayta) med en rekordhög kvalitetsfaktor."

Enligt forskarna, strukturerade ytor – även kallade metasytor – har mycket lovande möjligheter i en mängd olika nanofotoniska tillämpningar som aldrig kan utforskas med traditionella naturliga bulkmaterial. Sensorer, nanolaser, ljusstråleformning och styrning är bara några exempel på de många applikationerna.

"Metaytor gjorda av ädelmetallnanopartiklar - guld eller silver till exempel - har några unika fördelar jämfört med icke-metalliska nanopartiklar. De kan begränsa och kontrollera ljus i en nanoskalavolym som är mindre än en fjärdedel av ljusets våglängd (mindre än 100 nm) , medan bredden på ett hårstrå är över 10 000 nm), " förklarade Md Saad Bin-Alam.

"Intressant, till skillnad från icke-metalliska nanopartiklar, ljuset är inte begränsat eller fångat inuti metallnanopartiklarna utan koncentreras nära deras yta. Detta fenomen kallas vetenskapligt "lokaliserade ytplasmonresonanser (LSPRs)". Denna funktion ger en stor överlägsenhet till metallnanopartiklar jämfört med deras dielektriska motsvarigheter, eftersom man skulle kunna utnyttja sådana ytresonanser för att detektera bioorganismer eller molekyler inom medicin eller kemi. Också, sådana ytresonanser skulle kunna användas som den återkopplingsmekanism som är nödvändig för laserförstärkning. På sådant sätt, man kan förverkliga en liten laser i nanoskala som kan användas i många framtida nanofotoniska tillämpningar, som ljusdetektion och avståndsintervall (LiDAR) för fjärrfältsobjektdetektion."

Enligt forskarna, effektiviteten för dessa applikationer beror på resonans Q-faktorerna.

"Tyvärr, på grund av den höga "absorberande" och "strålande" förlusten i metallnanopartiklar, LSPR:s Q-faktorer är mycket låga, " sa medförfattaren Dr. Orad Reshef, en postdoktor vid institutionen för fysik vid University of Ottawa.

"För mer än ett decennium sedan, forskare hittade ett sätt att mildra den försvinnande förlusten genom att noggrant arrangera nanopartiklarna i ett galler. Från sådan "ytgitter"-manipulation, en ny 'surface lattice resonance (SLR)' uppstår med undertryckta förluster. Fram till vårt arbete, de maximala Q-faktorerna som rapporterades i systemkameror var runt några hundra. Även om sådana tidiga rapporterade systemkameror var bättre än LSPR med lågt Q, de var fortfarande inte särskilt imponerande för effektiva tillämpningar. Det ledde till myten att metaller inte är användbara för praktiska tillämpningar."

En myt som gruppen kunde dekonstruera under sitt arbete vid University of Ottawas Advanced Research Complex mellan 2017 och 2020.

"I början, vi utförde numerisk modellering av en guldnanopartikelmetayta och blev förvånade över att få kvalitetsfaktorer på flera tusen, sa Md Saad Bin-Alam, som i första hand utformade metasytstrukturen.

"Detta värde har aldrig rapporterats experimentellt, och vi bestämde oss för att analysera varför och att prova en experimentell demonstration av ett så högt Q. Vi observerade en SLR med mycket hög Q med värde nästan 2400, det är minst 10 gånger större än de största SLRs Q som rapporterats tidigare."

En upptäckt som fick dem att inse att det fortfarande finns mycket att lära om metaller.

"Vår forskning visade att vi fortfarande är långt ifrån att känna till alla dolda mysterier med metall (plasmoniska) nanostrukturer, avslutade Dr Orad Reshef, som tillverkade metasyteprovet. "Vårt arbete har avslöjat en decenniumslång myt att sådana strukturer inte är lämpliga för verkliga optiska applikationer på grund av de höga förlusterna. Vi visade att, genom att konstruera nanostrukturen på rätt sätt och noggrant genomföra ett experiment, man kan förbättra resultatet avsevärt."

Pappret, "Ultra-höga Q-resonanser i plasmoniska metasytor, " publiceras i Naturkommunikation .