Автор AZoNano 19 марта 2021 г.

Исследователи из Оттавского университета развенчали десятилетний миф о бесполезности металлов в фотонике – науке и технологии света – своими открытиями, недавно опубликованными в Nature Communications . привести к множеству приложений в области нанофотоники.

«Мы побили рекорд резонансной добротности (добротности) периодического массива металлических наночастиц на порядок по сравнению с предыдущими отчетами», – заявила старший автор, доктор Ксения Долгалева, . Кафедра исследований в области комплексной фотоники Канады (уровень 2) и доцент Школы электротехники и компьютерных наук (EECS) в Оттавском университете

«Это хорошо известный факт, что металлы имеют очень большие потери при взаимодействии со светом, что означает, что они вызывают рассеяние электрической энергии. Высокие потери ставят под угрозу их использование в оптике и фотонике.

Мы продемонстрировали резонансы сверхвысокой добротности на метаповерхности (искусственно структурированной поверхности), состоящей из массива металлических наночастиц, внедренных в плоскую стеклянную подложку. Эти резонансы можно использовать для эффективного управления светом и улучшения взаимодействия света с веществом, показывая, что металлы полезны в фотонике ».

«В предыдущих работах исследователи пытались смягчить неблагоприятный эффект потерь, чтобы получить доступ к благоприятным свойствам массивов металлических наночастиц», заметил со-ведущий автор исследования Саад Бин-Алам из Оттавы. докторант EECS.

«Однако их попытки не привели к значительному улучшению показателей качества резонансов решеток. Мы реализовали комбинацию методов, а не один подход, и получили улучшение на порядок, демонстрируя массив металлических наночастиц (метаповерхность) с рекордно высоким коэффициентом качества ».

По мнению исследователей, структурированные поверхности – также называемые метаповерхностями – имеют очень многообещающие перспективы в различных нанофотонных приложениях, которые никогда не могут быть исследованы с использованием традиционных природных объемных материалов. Датчики, нанолазеры, формирование светового луча и управление – вот лишь несколько примеров из множества приложений.

«Метаповерхности, сделанные из наночастиц благородных металлов – золота или серебра, например, – обладают некоторыми уникальными преимуществами по сравнению с неметаллическими наночастицами. Они могут ограничивать и контролировать свет в наноразмерном объеме, который составляет менее четверти длины волны свет (менее 100 нм, в то время как ширина волоса более 10 000 нм) », объяснил М.Д. Саад Бин-Алам.

«Интересно, что в отличие от неметаллических наночастиц, свет не ограничивается или захватывается внутри металлических наночастиц, а концентрируется вблизи их поверхности. Это явление с научной точки зрения называется« локализованными поверхностными плазмонными резонансами (LSPR) ».

Эта особенность дает большое преимущество металлическим наночастицам по сравнению с их диэлектрическими аналогами, потому что можно использовать такие поверхностные резонансы для обнаружения биоорганизмов или молекул в медицине или химии. Кроме того, такие поверхностные резонансы могут использоваться в качестве механизма обратной связи, необходимого для усиления лазера. Таким образом, можно реализовать крошечный лазер наноразмеров, который может быть использован во многих будущих нанофотонных приложениях, таких как обнаружение света и дальность (LiDAR) для обнаружения объектов в дальней зоне ».

По мнению исследователей, эффективность этих приложений зависит от резонансной добротности.

«К сожалению, из-за высоких« поглощающих »и« радиационных »потерь в металлических наночастицах добротность LSPR очень низка», – сказал один из ведущих авторов доктор Орад Решеф, доктор наук. научный сотрудник факультета физики Оттавского университета

«Более десяти лет назад исследователи нашли способ уменьшить диссипативные потери, аккуратно расположив наночастицы в решетке. В результате такой манипуляции с« поверхностной решеткой »возникает новый« поверхностный решеточный резонанс (SLR) ». с подавленными потерями. До нашей работы максимальная добротность SLR составляла около нескольких сотен. Хотя такие ранние зарегистрированные SLR были лучше, чем LSPR с низкой добротностью, они все еще не были очень впечатляющими для эффективных приложений. миф о том, что металлы бесполезны для практического применения »

Миф, который группа смогла разрушить во время своей работы в Комплексе перспективных исследований Университета Оттавы в период с 2017 по 2020 годы.

«Сначала мы выполнили численное моделирование метаповерхности золотой наночастицы и были удивлены, получив коэффициенты качества в несколько тысяч», – сказал М.Д. Саад Бин-Алам, который в первую очередь разработал структуру метаповерхности.

«Экспериментально это значение никогда не сообщалось, и мы решили проанализировать, почему и попытаться экспериментально продемонстрировать такое высокое значение Q. Мы наблюдали SLR с очень высоким Q с значением около 2400, то есть по крайней мере В 10 раз больше, чем самые большие SLR Q, о которых сообщалось ранее »

Открытие, которое заставило их понять, что еще многое предстоит узнать о металлах.

« Наши исследования доказали, что мы еще далеки от познания всех скрытых тайн металлических (плазмонных) наноструктур», – заключил доктор Орад Решеф, который изготовил образец метаповерхности. «Наша работа развенчала десятилетний миф о том, что такие структуры не подходят для реальных оптических приложений из-за высоких потерь. Мы продемонстрировали, что, правильно спроектировав наноструктуру и тщательно проведя эксперимент, можно улучшить результат значительно ".

Статья « Резонансы сверхвысокой добротности в плазмонных метаповерхностях» опубликована в Nature Communications. Мадам Саад Бин-Алам и д-р Орад Решеф в первую очередь провели исследование. Их поддержали Ярина Мамчур и доктор Микко Хуттунен в эксперименте и численном моделировании соответственно. Профессора Ксения Долгалева и Роберт В. Бойд совместно руководили исследованием в сотрудничестве с профессором Жан-Мишелем Менаром и Iridian Spectral Inc. Другие соавторы, доктор Захирул Алам и доктор Джереми Апхам, принимали участие в подготовке рукописи. Доктор Алам также помог с экспериментальной установкой.

Источник: https://www.uottawa.ca/en