Поляризованный свет необычно влияет на золотые наночастицы

Ученые из университета Райса в ходе экспериментов с золотыми наночастицами обнаружили принципиально новую форму взаимодействия света и материи.

И хотя цели такой не было, студенты из лаборатории химика Стивена Линка установили, что удивительные микроскопические частицы производят почти идеальную модуляцию рассеиваемого света.

Открытие может оказаться полезным при разработке ультрамалых оптических компонентов следующего поколения для компьютеров и антенн.

Результаты опубликованы в издании Американского химического общества ACS Nano.

Частицы и свет

В исследовании ученые анализировали сложные взаимодействия между светом и плазмонными металлическими частицами, которые поглощают и рассеивают свет с высочайшей эффективностью.

Плазмоны — это такие квазичастицы, коллективные возбуждения, которые волнами движутся по поверхности некоторых металлов под воздействием света.

Исследователи Райса изучали шестеренчатые плазмонные структуры золотых наночастиц, чтобы понять, как они реагируют на на циркулярно поляризованный свет и его вращающееся электрическое поле, особенно с обратной хиральностью.

Затем ученые решили исследовать отдельные частицы.

— Мы вернули все к максимально возможной простой системе, с одним-единственным направлением света, заявила аспирант Лорен Маккарти. — Мы даже не ожидали увидеть что-то особенное, и полной неожиданностью стало, когда я поместила образец под микроскоп и изменила поляризацию с левой на правую. Я еще подумала — они что, правда включаются и выключаются? Но этого же не может быть!

Она и соавтор Кайл Смит пошли дальше, чтобы выяснить, почему они увидели то, что увидели.

Вдоль и поперек

На старте эксперимента было известно, что свечение поляризованным светом под определенным углом на поверхность золотой наночастицы на стеклянной подложке создает затухающее поле, осциллирующую электромагнитную волну, которая движется по поверхности стекла и улавливает свет подобно параллельным зеркалам (этот эффект известен как полное внутреннее отражение).

Также было известно, что циркулярно поляризованный свет состоит из поперечных волн. Эти волны перпендикулярны направлению движения света и могут использоваться для управления видимым плазмонным выпуском частиц.

Однако когда света недостаточно или он ограничен, возникают и продольные волны.

Ученые обнаружили плазмонную реакцию золотых наночастиц, основанную на внефазовых взаимодействиях между продольными и поперечными волнами в неоднородных полях.

Просто изменив хиральность циркулярно поляризованного света, исследователи смогли на 50% изменить интенсивность света.

Форма важнее содержания

Когда эксперимент разбили на отдельные наночастицы, выяснилось, что для итогового эффекта важна форма. Изменение хиральности поляризованного света привело к тому, что частицы включались и выключались полностью.

— Мы знали о затухающем поле, но не понимали, что точно оно делает, сообщила Маккарти. — И пока мы не выполнили моделирование, ситуация не прояснилась. Только после мы поняли, что частицы захватывают свет, и что все это похоже на затухающее поле.

Так ученые осознали, что процесс невозможно объяснить обычной работой света. Пришлось переосмыслить, как свет может взаимодействовать со структурами такого рода.

Форма наночастиц определяет положение трех диполей на частицах.

— То, что полукольцо обладает 100-нанометровым радиусом, означает, что вся структура занимает половину длины световой волны, сказала Маккарти. — Мы уверены, что это важно для возбуждения диполей в данном положении.

Симуляции показали, что изменение хиральности поляризованного света и удаление волн из фазы обратили направление центрального диполя, существенно сократив способность полукольца рассеивать свет. Поляризация затухающего поля объясняет практически полное включение и выключение структур.

— Любопытно, что с этой работой мы прошли полный цикл, заметил Линк. — Плоские металлические поверхности тоже поддерживают поверхностные плазмоны как наночастицы, однако их можно возбудить лишь затухающими волнами, и не удастся рассеять в дальней зоне. Выяснилось, что при возбуждении наночастиц особой формы затухающими волнами формируются плазмоны с рассеивающими свойствами, отличными от свойств частиц, возбуждаемых светом в свободном пространстве.

02.12.2018