Uma visão artística de uma metassuperfície que consiste em uma matriz retangular de nanoestruturas retangulares de ouro que geram ressonâncias de rede de superfície plasmônica.
Pesquisadores da Universidade de Ottawa desmascararam o mito de uma década de que os metais são inúteis na fotônica – a ciência e a tecnologia da luz – com suas descobertas, publicadas recentemente na Nature Communications, que devem levar a muitas aplicações no campo da nanofotônica.
“Quebramos o recorde do fator de qualidade de ressonância (fator Q) de uma série periódica de nanopartículas de metal em uma ordem de magnitude em comparação com relatórios anteriores”, disse a autora sênior, Dra. Ksenia Dolgaleva, Presidente de Pesquisa do Canadá em Fotônica Integrada (Nível 2 ) e Professor Associado da Escola de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) da Universidade de Ottawa.
“É sabido que os metais apresentam muitas perdas quando interagem com a luz, o que significa que causam a dissipação de energia elétrica. As perdas elevadas comprometem seu uso em óptica e fotônica. Demonstramos ressonâncias de Q ultra-alto em um metassuperfície (uma superfície artificialmente estruturada) composta por uma série de nanopartículas de metal incorporadas dentro de um substrato de vidro plano. Essas ressonâncias podem ser usadas para manipulação de luz eficiente e interação luz-matéria aprimorada, mostrando que os metais são úteis na fotônica.”
“Em trabalhos anteriores, os pesquisadores tentaram mitigar o efeito adverso das perdas para acessar as propriedades favoráveis das matrizes de nanopartículas de metal”, observou o co-autor do estudo Md Saad Bin-Alam, um estudante de doutorado de uOttawa no EECS.
“No entanto, suas tentativas não forneceram uma melhoria significativa nos fatores de qualidade das ressonâncias das matrizes. Implementamos uma combinação de técnicas em vez de uma única abordagem e obtivemos uma melhoria de ordem de magnitude demonstrando uma matriz de nanopartículas de metal (metassuperfície) com um fator de qualidade recorde. ”
De acordo com os pesquisadores, as superfícies estruturadas – também chamadas de metassuperfícies – têm perspectivas muito promissoras em uma variedade de aplicações nanofotônicas que nunca podem ser exploradas usando materiais a granel naturais tradicionais. Sensores, nanolasers, formação de feixe de luz e direção são apenas alguns exemplos das muitas aplicações.
“Metasuperfícies feitas de nanopartículas de metal nobre – ouro ou prata, por exemplo – possuem alguns benefícios únicos em relação às nanopartículas não metálicas. Elas podem confinar e controlar a luz em um volume em nanoescala que é inferior a um quarto do comprimento de onda da luz (menos de 100 nm , enquanto a largura de um cabelo é superior a 10.000 nm) “, explicou Md Saad Bin-Alam.
“Curiosamente, ao contrário das nanopartículas não metálicas, a luz não está confinada ou presa dentro das nanopartículas de metal, mas está concentrada perto de sua superfície. Este fenômeno é cientificamente chamado de ‘ressonâncias plasmônicas de superfície localizadas (LSPRs)’. Esta característica oferece uma grande superioridade a nanopartículas de metal em comparação com suas contrapartes dielétricas, porque pode-se explorar essas ressonâncias de superfície para detectar bioorganismos ou moléculas em medicina ou química. Além disso, essas ressonâncias de superfície podem ser usadas como o mecanismo de feedback necessário para ganho de laser. pode-se perceber um minúsculo laser em nanoescala que pode ser adotado em muitas aplicações nanofotônicas futuras, como detecção e alcance de luz (LiDAR) para a detecção de objetos em campo distante. ”
Segundo os pesquisadores, a eficiência dessas aplicações depende dos fatores Q ressonantes.
“Infelizmente, devido à alta perda ‘absortiva’ e ‘radiativa’ em nanopartículas de metal, os fatores Q do LSPRs são muito baixos”, disse o co-autor Dr. Orad Reshef, pós-doutorado no Departamento de Física da Universidade de Ottawa.
“Mais de uma década atrás, os pesquisadores encontraram uma maneira de mitigar a perda dissipativa organizando cuidadosamente as nanopartículas em uma rede. A partir dessa manipulação de ‘rede de superfície’, uma nova ‘ressonância de rede de superfície (SLR)’ emerge com perdas suprimidas. Até nossa trabalho, os fatores Q máximos relatados em SLRs foram cerca de algumas centenas. Embora esses SLRs relatados anteriormente fossem melhores do que os LSPRs de baixo Q, eles ainda não eram muito impressionantes para aplicações eficientes. Isso levou ao mito de que os metais não são úteis para aplicações práticas. ”
Um mito que o grupo conseguiu desconstruir durante seu trabalho no Complexo de Pesquisa Avançada da Universidade de Ottawa entre 2017 e 2020.
“No início, realizamos a modelagem numérica de uma metassuperfície de nanopartículas de ouro e ficamos surpresos ao obter fatores de qualidade de vários milhares”, disse Md Saad Bin-Alam, que projetou principalmente a estrutura da metassuperfície.
“Este valor nunca foi relatado experimentalmente, e decidimos analisar o porquê e tentar uma demonstração experimental de um Q tão alto. Observamos um SLR de Q muito alto de valor de quase 2.400, que é pelo menos 10 vezes maior que o maior SLRs Q relatado anteriormente. ”
Uma descoberta que os fez perceber que ainda há muito o que aprender sobre os metais.
“Nossa pesquisa provou que ainda estamos longe de conhecer todos os mistérios ocultos das nanoestruturas metálicas (plasmônicas)”, concluiu o Dr. Orad Reshef, que fabricou a amostra de metassuperfície. “Nosso trabalho desmascarou um mito de uma década de que tais estruturas não são adequadas para aplicações ópticas da vida real devido às grandes perdas. Demonstramos que, com a engenharia adequada da nanoestrutura e a condução cuidadosa de um experimento, pode-se melhorar o resultado significativamente. ”
O artigo, “Ultra-high-Q ressonances in plasmonic metassurfaces,” é publicado na Nature Communications.
Publicado em 20/03/2021 21h56
Artigo original:
Estudo original: