Плазмоны и оптические пинцеты – нанотехнология управляет светом

 


Нанофотоника занимается излучением наноразмерных материалов и устройств. В настоящей cстатье представлены последние достижения группы учёных из Испании и Франции, посвящённые разработки оптически управляемого выключателя, так называемого, lab-on-a-chip.

Lycurgus cup, изображённая на фотографии, находится в Британском музеи в Лондоне. Чаша становится зелёной, при её облучении снаружи. Однако когда источник света помещён вовнутрь, Lycurgus cup светиться красным светом. Дело в том, что в состав стекла входят наночастицы золота и серебра, благодаря которым и появляется такой необычный оптический эффект. Лежащее в его основе физическое явление связано с возбуждением поверхностных плазмонов (surface-plasmon excitation).

Профессор Харри Этуотер (Dr. Harry Atwater) в своей обзорной работе по плазмонам, опубликованной в апрельском номере Scientific American, объяснил явление следующим образом: «Чаша поглощает и рассеивает синие и зелёное излучение с относительно короткими длинами волн в видимом спектре. При внешнем освещении плазмонное рассеивание приводит к зеленоватой окраски чаши, но если источник белого света помещён внутрь кубка, стекло краснеет, потому что оно пропускает волны большей длины, а более короткие поглощает.»

В физике плазмоном называется квазичастица, являющаяся квантом плазменных колебания, аналогично тому, как фотон и фонон являются квантами световой и звуковой волн соответственно. Плазмон может взаимодействовать с фотоном, образуя квазичастицу поляритон. Так называемые поверхностные плазмоны полностью локализуются на поверхности. Поверхностный плазмонный резонанс может быть использован в оптической обработки сигналов, поверхностной спектроскопии и сенсорной нанотехнологии.

«Помимо расширения областей применения поверхностных плазмонов, возможны научные прорывы в таких областях, как оптическое манипулирование и перенос малого количества вещества» - пояснил профессор Р.Куидант (dr.Romain Quidant) в интервью для Nanowerk. «Оптические пинцеты, позволяющие нужным образом модифицировать поверхности, найдут широкое применение в производстве чипов. Альтернативным является использование трёхмерных 3D оптических технологий, которые оперируют с громоздкими оптическими устройствами и мощными лазерами, в то время как устройство, разработанное на модели плазмонов, не будет нуждаться в фокусированном излучении и будет иметь более низкий порог лазерной мощности.»

Куидант, профессор из Барселонского Университета ICFO – Institut de Ciències Fotòniques, Испания, и его французский коллега из CEMES в Тулузе, Франция, смогли объединить оптическое манипулирование и оптику поверхностных плазмонов. Увеличение числа плазмонов на поверхности металлов позволяет оказывать сильное оптическое воздействие на малое количество материала. Они опубликовали свои достижения в последнем номере Nature Physics ("Parallel and selective trapping in a patterned plasmonic landscape"). В предыдущей работе ("Surface Plasmon Radiation Forces"), используя фотонный силовой микроскоп, учёные смогли напрямую измерить воздействие на каждый микронный шарик диэлектрического вещества путём наведения плазмонного поля на тонкий однородный слой золота. Работая с поверхностным плазмонным резонансом, они определили, что суммарное воздействие на образец в 40 раз превышает воздействие, измеренное при отсутствии плазмонного возбуждения.

Учёные продемонстрировали, что облучаемые микронные частицы металла могут вести себя как новые двумерные 2D оптические пинцеты. По словам Куиданта, по сравнению с традиционным оптическим пинцетом, пинцеты на основе поверхностных плазмонов могут работать избирательно для разных объектов, являясь, таким образом, оптическим ситом.

В настоящей работе приводятся первые доказательства оригинальной концепции 2D оптических пинцетов, основанной на поверхностных плазмонах. Такие пинцеты открывают новые перспективы для транспорта, хранения и разделения малых объектов на поверхности чипа с помощью света. Их простота позволит проложить путь к производству новых аналитических устройств, полностью управляемых светом, для выделения нано-аналита из сложных образцов, проверки поверхности чипа. Такое наноразмерное устройство можно использовать во многих областях, в том числе в медицине, например, для транспортировки лекарств.

Нанотехнологическое сообщество "Нанометр"