光以意想不到的方式引发黄金

胥雯锦
导读莱斯大学的研究人员在他们的金纳米粒子实验中发现了光和物质之间一种根本不同的相互作用形式。他们并没有寻找它,但莱斯大学化学家斯蒂芬林

莱斯大学的研究人员在他们的金纳米粒子实验中发现了光和物质之间一种根本不同的相互作用形式。

他们并没有寻找它,但莱斯大学化学家斯蒂芬林克实验室的学生发现,适当激发微观粒子将对其散射光产生近乎完美的调制。这一发现可能有助于开发下一代用于计算机和天线的超小型光学元件。

这项工作源于光与等离子体金属粒子之间的复杂相互作用,等离子体金属粒子极其有效地吸收和散射光。等离子体是准粒子的集体激发,在光的激发下在某些金属表面产生波动。

莱斯研究人员正在研究C形金纳米粒子的风车状等离子体结构,以了解它们如何对圆偏振光及其旋转电场做出反应,特别是当极性的旋节或旋转方向反转时。然后他们决定研究单个粒子。

“我们把它简化成最简单的系统。我们只有一个风车臂,只有一个入射光方向,”Link实验室的研究生劳伦麦卡锡(Lauren McCarthy)说。“我们没想到会看到什么。当我把这个样本放在显微镜上,把我的偏振从左手旋转到右手时,这完全是一个惊喜。我想,‘这些都是开关吗?’这不应该发生。"

她和共同首席作家凯尔史密斯(Kyle Smith)是最近的赖斯校友,他们必须深入了解为什么会看到这种“大调制”。

起初,他们知道以特定角度将偏振光照射到附着在玻璃基底上的金纳米粒子样品的表面会产生倏逝场,这是一种在玻璃表面振荡电磁波并捕捉类似平行光线的镜子,这种效应被称为全内反射。

他们也知道圆偏振光是由横波组成的。横波垂直于光的运动方向,可以用来控制粒子的可见等离子体输出。但是当光受到限制时,也会出现纵波。在剪切波上下左右移动的情况下,纵波看起来像是通过管道泵出的斑点(如晃动Slinky所示)。

他们发现C形金纳米粒子的等离子体响应取决于倏逝场中横波和纵波的异相相互作用。

对于风车,研究人员发现,通过简单地改变圆偏振光输入的旋向性,他们可以改变高达50%的光输出强度,从而改变横波和纵波的相对相位。

当他们将实验分解为单个C形金纳米粒子时,他们发现形状对效果很重要。改变偏振输入的旋向性导致粒子几乎完全打开和关闭。

模拟水稻物理学家彼得诺德兰和他的团队证实了研究人员观察到的解释。

“我们知道我们有一个倏逝场,我们知道它可能做不同的事情,但我们不知道它到底是什么,”麦卡锡说。“在我们完成模拟之前,我们不明白这一点,告诉我们光在粒子中实际上是多么令人兴奋,并看到它实际上与倏逝场的外观相匹配。

“这让我们意识到这不能用光的正常运作来解释,”她说。“我们必须调整我们对光如何与这些结构相互作用的理解。”

麦卡锡说,纳米颗粒的形状触发了颗粒上三个偶极子(正电荷和负电荷的浓度)的取向。

“半环的曲率半径为100纳米,这意味着整个结构占据了半波长的光,”她说。"我们认为在一个特殊的方向激发这个偶极子是非常重要的."

模拟结果表明,入射偏振光的手征性反转,波相反转到中心偶极子的方向,大大降低了半环在一个入射光的手征性下的散射能力。然后,倏逝场的偏振解释了C形结构的几乎完全的打开和关闭效应。

“有趣的是,我们在某种程度上完成了这项工作,”林克说。“平坦的金属表面也支持表面等离子体,如纳米粒子,但它们只能被倏逝波激发,不会散射到远场。在这里,我们发现用倏逝波激发特定形状的纳米粒子会产生与自由空间光激发不同散射特性的等离子体。

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