Плазмонные наноструктуры – лучшие усилители электромагнитного поля
Ученые из Великобритании изобрели методику создания каскадных усилителей для электромагнитного излучения (в том числе и видимого света). Дополнив собственными исследованиями существующую технику, они получили возможность локально повышать интенсивность света в десятки раз.
Известно, что отдельные наночастицы благородных металлов, расположенные на некоторой поверхности, могут значительно увеличивать электромагнитное поле в близлежащем пространстве. Это явление, которым пользуются многие исследователи в своих экспериментах, в частности, в нелинейной оптике, при оптической манипуляции нанообъектами, а также в различных химических и биологических исследованиях. Данный эффект объясняется взаимодействием электромагнитного излучения со свободным электронным газом у поверхности металла.
Известно, что свободные электроны у поверхности металла могут совершать коллективные колебания, для учета которых были введены квазичастицы – плазмоны. Частицы эти могут взаимодействовать с фотонами электромагнитного излучения, приводя к так называемому плазмонному резонансу. Наночастица на поверхности в данном случае служит источником плазмонов.
Ранее ученые со всего мира пытались преумножить этот эффект за счет использования вместо одного нанообъекта разнообразных наборов наночастиц, однако, расположенные рядом объекты одинакового размера не давали существенного преумножения наблюдаемого эффекта.
Но недавно исследователи из University of Manchester и University of Exeter в Великобритании преодолели этот барьер. Ученые развили идею, создав составную плазмонную наноструктуру, усиливающую поле существенно больше, чем каждая из ее составляющих в отдельности. Разработанная наноструктура представляет собой соединение двух дисков различного диаметра; при этом один размещен на поверхности другого. Конструкция позволяет применить принцип так называемого каскадного усиления. Опираясь на известный факт об усилении поля с помощью одной наночастицы, ученые добавили вторую частицу (большего размера), чем обеспечили многократное усиление. С помощью своей разработки в рамках проведенного эксперимента группа продемонстрировала 50-кратное усиление электромагнитного поля (по сравнению с первоначальным).
Секрет эффекта в том, что размеры маленькой и большой наноструктуры должны быть хорошо подогнаны «друг под друга» так, чтобы имел место резонансный процесс. При правильном расчете структуры, электромагнитная энергия как бы фокусируется на меньшей наночастице (реализуется аналог линзы Френеля, но не из оптического стекла, а из благородного металла).
Для изготовления столь сложных структур группа использовала литографические методы. В свою очередь для измерения локальных полей, ученые покрывали поверхность подложки флуоресцентной краской и позже наблюдали эффект при помощи конфокального микроскопа.
Следующий очевидный шаг в развитии обнаруженного явления – создание структуры из трех компонент. Теоретические расчеты позволяют предположить, что третий нанообъект сделает каскадное усиление еще более эффективным. Однако, ученым предстоит столкнуться и со значительными сложностями. Чем больше эффект локального усиления – тем на меньших областях он наблюдается; таким образом, группе необходимо будет разработать методику локального измерения интенсивности электромагнитного поля на масштабах порядка 10 – 20 нм.
