萊斯大學(xué)的研究人員在他們的金納米粒子實驗中發(fā)現(xiàn)了一種根本不同的光物質(zhì)相互作用形式。

他們并不是在尋找它，但是在Rice化學(xué)家Stephan Link實驗室的學(xué)生發(fā)現(xiàn)，正確地激發(fā)微觀粒子會對它們分散的光產(chǎn)生近乎完美的調(diào)制。該發(fā)現(xiàn)可能有助于開發(fā)用于計算機(jī)和天線的下一代超小型光學(xué)組件。

關(guān)于這項研究的論文刊登在美國化學(xué)學(xué)會期刊ACS Nano上。

這項工作源于光和等離子體金屬顆粒之間復(fù)雜的相互作用，它極其有效地吸收和散射光。等離子體是準(zhǔn)粒子，當(dāng)被光激發(fā)時，在一些金屬表面上波動的集體激發(fā)。

萊斯研究人員正在研究C形金納米粒子的風(fēng)車狀等離子體結(jié)構(gòu)，以了解它們?nèi)绾雾憫?yīng)圓偏振光及其旋轉(zhuǎn)電場，特別是當(dāng)旋轉(zhuǎn)度或極化的旋轉(zhuǎn)方向被逆轉(zhuǎn)時。然后他們決定研究單個粒子。

“我們將它剝離回最簡單的可能系統(tǒng)，我們只有一個風(fēng)車臂，只有一個入射光方向，”Link實驗室的研究生Lauren McCarthy說。“我們沒想到會看到任何東西。當(dāng)我把這個樣品放在顯微鏡上并將我的極化從左手旋轉(zhuǎn)到右手時，這是一個完全的驚喜。我想，'這些是打開還是關(guān)閉?' 這不應(yīng)該發(fā)生。“

她和共同主要作家凱爾史密斯，最近的賴斯校友，不得不深入弄清楚為什么他們看到這種“巨大的調(diào)制”。

一開始，他們知道以特定角度將偏振光照射到附著在玻璃基板上的金納米粒子樣品表面會產(chǎn)生漸逝場，一個擺動玻璃表面的振蕩電磁波并像平行一樣捕獲光線鏡子，一種稱為全內(nèi)反射的效應(yīng)。

他們也知道圓偏振光由橫波組成。橫波垂直于光的移動方向，可用于控制粒子的可見等離子體輸出。但是當(dāng)光被限制時，也會發(fā)生縱波。在橫波上下和左右移動的情況下，縱波看起來像是通過管道泵送的斑點(如通過搖動Slinky所示)。

他們發(fā)現(xiàn)C形金納米粒子的等離子體響應(yīng)取決于消逝場中橫波和縱波之間的異相相互作用。

對于風(fēng)車，研究人員發(fā)現(xiàn)，通過簡單地改變圓偏振光輸入的旋向性，他們可以將光輸出的強(qiáng)度改變多達(dá)50%，從而改變橫波和縱波之間的相對相位。

當(dāng)他們將實驗分解為個體的C形金納米粒子時，他們發(fā)現(xiàn)形狀對于效果很重要。改變極化輸入的旋向性導(dǎo)致粒子幾乎完全打開和關(guān)閉。

模擬水稻物理學(xué)家彼得諾德蘭德及其團(tuán)隊的效果證實了研究人員觀察到的解釋。

“我們知道我們有一個消逝領(lǐng)域，我們知道它可能會做出不同的事情，但我們并不知道到底是什么，”麥卡錫說。“在我們完成模擬之前，我們并沒有明白這一點，告訴我們光線在粒子中實際上是多么令人興奮，并且看到它實際上與漸逝場的外觀相匹配。

“這導(dǎo)致我們意識到這不能用光正常運作來解釋，”她說。“我們必須調(diào)整我們對光線如何與這些結(jié)構(gòu)相互作用的理解。”

McCarthy說，納米粒子的形狀觸發(fā)了粒子上三個偶極子(正電荷和負(fù)電荷的濃度)的取向。

“半環(huán)具有100納米的曲率半徑這一事實意味著整個結(jié)構(gòu)占據(jù)了半波長的光，”她說。“我們認(rèn)為這對于激發(fā)這種特殊方向的偶極子非常重要。”

模擬結(jié)果表明，反轉(zhuǎn)入射偏振光的手性并使波異相反轉(zhuǎn)了中心偶極子的方向，大大降低了半環(huán)在一次入射的手性下散射光的能力。然后，漸逝場的極化解釋了C形結(jié)構(gòu)幾乎完全的開啟和關(guān)閉效果。

“有趣的是，我們在某種程度上完成了這項工作，”林克說。“扁平金屬表面也支持表面等離子體，如納米粒子，但它們只能被漸逝波激發(fā)而不會散射到遠(yuǎn)場。在這里，我們發(fā)現(xiàn)使用漸逝波激發(fā)特定形狀的納米粒子會產(chǎn)生具有不同散射特性的等離子體那些對自由空間光感興奮的人。“