Polaritons de plasmon de superfície lançados por nanoemissores são fotografados no campo próximo – Physics World

Os emissores de luz feitos de materiais 2D e quase-2D são atualmente de grande interesse em nano-optoeletrônica porque sua falta de blindagem dielétrica significa que seus pares elétron-buraco (excitons) são incrivelmente sensíveis ao seu ambiente. Isso é vantajoso para fazer dispositivos como fotossensores altamente responsivos e sensores eletroquímicos.

Quando depositada diretamente na superfície de um metal em um substrato metal/dielétrico, a luz emitida por esses materiais quase 2D ou “nano-emissores” pode gerar polaritons de plasmon de superfície (SPPs). Estas são quasipartículas de luz-matéria que existem em uma interface metal/dielétrico e se propagam ao longo dela como uma onda. Um SPP é uma onda eletromagnética (polariton) no dielétrico que é acoplada a uma oscilação de carga elétrica na superfície do metal (plasmon de superfície). Como resultado, os SPPs têm propriedades semelhantes à matéria e à luz.

O campo eletromagnético de um SPP está confinado ao campo próximo. Isso significa que existe apenas na interface metal/dielétrico, com sua intensidade decaindo exponencialmente com o aumento da distância em cada meio. Isso resulta em um grande aumento do campo elétrico, tornando os SPPs incrivelmente sensíveis ao seu ambiente. Além disso, a luz de campo próximo pode ser manipulada em escalas de comprimento de subcomprimento de onda.

Até agora, os sistemas SPP/nano-emissor foram estudados extensivamente no campo distante óptico, mas as técnicas de imagem usadas são limitadas pela difração e importantes mecanismos de sub-comprimento de onda não podem ser visualizados. Em um novo estudo descrito em Natureza das Comunicações, pesquisadores nos EUA usaram nanoespectroscopia aprimorada por ponta para estudar SPPs em nanoemissores no campo próximo. Isso permitiu que a equipe visualizasse as propriedades espaciais e espectrais dos SPPs em propagação. De fato, sua pesquisa pode levar a novos e excitantes dispositivos plasmônicos práticos.

Maior nem sempre é melhor

Nos últimos anos, a pesquisa em dispositivos fotônicos e sua integração em circuitos tem despertado grande interesse na indústria e na academia. Isso ocorre porque, em comparação com dispositivos puramente eletrônicos, os dispositivos fotônicos podem alcançar maior eficiência energética e velocidades operacionais mais rápidas.

No entanto, existem dois grandes desafios que devem ser superados antes que a fotônica ultrapasse a eletrônica nas aplicações convencionais. Uma delas é que dispositivos puramente fotônicos são difíceis de conectar para formar circuitos maiores; e a outra é que o tamanho dos dispositivos fotônicos não pode ser menor do que cerca de metade do comprimento de onda da luz que eles processam. O último limita os tamanhos dos dispositivos a cerca de 500 nm, que é muito maior do que os transistores modernos.

Esses dois problemas podem ser resolvidos criando dispositivos que operam usando SPPs, em vez de luz convencional. Isso ocorre porque as propriedades de luz dos SPPs permitem uma operação extremamente rápida do dispositivo, enquanto as propriedades de matéria dos SPPs permitem uma integração mais fácil em circuitos e operação abaixo do limite de difração.

No entanto, para projetar nanoeletrônica prática, é necessário um melhor entendimento do comportamento do subcomprimento de onda dos SPPs. Agora, Kiyoung Jo, um estudante de doutorado na Universidade da Pensilvânia, e colegas estudaram SPPs usando nanoespectroscopia aprimorada por ponta. Esta técnica acopla um espectrômetro de campo distante com um microscópio de força atômica (AFM).

A ponta AFM revestida de ouro espalha a luz no campo próximo, o que permite que os SPPs sejam espacialmente e espectralmente visualizados usando o espectrômetro. A amostra foi fabricada por spin-coating de uma solução de nanoplaquetas quase 2D (flocos em escala nanométrica do emissor de luz CdSe/Cd_xZn_1-xS) sobre um substrato de ouro e, em seguida, depositando um dielétrico de óxido de alumínio no topo usando deposição de camada atômica.

As nanoplaquetas foram excitadas usando um laser e sua subsequente emissão de luz lançou SPPs que se propagaram ao longo da interface ouro/óxido de alumínio. Os pesquisadores observaram que os SPPs podem se propagar até centenas de mícrons e também podem ser refletidos pela ponta de ouro de volta ao seu caminho original. No caso de reflexões, os SPPs incidentes e refletidos interferiram um no outro, formando uma onda estacionária entre a ponta e a nanoplaqueta (ver figura: “Reflexões de quasipartículas”). Experimentalmente, estes foram observados como franjas em forma de parábola.

À medida que a distância entre a ponta e a nanoplaqueta aumentava, os pesquisadores descobriram que a intensidade do campo elétrico variava periodicamente. Isso confirmou a presença de uma onda estacionária e demonstrou como a nanoplaqueta e a ponta agem como uma espécie de cavidade. Simulações de computador mostraram, no entanto, que, embora tanto a ponta quanto a nanoplaqueta sejam necessárias para observar as franjas, o campo eletromagnético gerado pelos SPPs está presente com apenas um, confirmando que ambos são capazes de lançar SPPs.

A condensação de polariton emerge de um estado ligado no continuum

Os pesquisadores também investigaram o efeito das propriedades da amostra na emissão SPP. Por exemplo, eles descobriram que as franjas só ocorriam quando as nanoplaquetas eram “edge-up” (perpendiculares ao plano do substrato) e o laser de excitação era polarizado de forma que seu campo magnético fosse perpendicular ao plano de incidência (polarização TM). . Como resultado, a polarização do laser de excitação pode ser usada como um “interruptor” para ligar e desligar facilmente os SPPs, o que é uma característica importante para dispositivos optoeletrônicos. A equipe também descobriu que a forma das franjas poderia ser usada para determinar a orientação do dipolo do nanoemissor, com a forma parabólica sugerindo uma ligeira inclinação (as franjas circulares indicariam um ângulo de exatamente 90° em relação ao plano do substrato). .

A espessura também desempenhou um papel importante nas propriedades dos SPPs, com nanoplaquetas mais espessas produzindo campos elétricos mais fortes e dielétricos mais espessos resultando em distâncias de propagação de SPP mais longas. Estudos usando diferentes materiais dielétricos (dióxido de titânio e disseleneto de tungstênio monocamada) indicaram que, devido ao aumento do confinamento do campo elétrico, uma permissividade dielétrica maior também resultou em distâncias de propagação mais longas. É importante saber disso, pois a distância de propagação está diretamente relacionada à transferência de energia pelos SPPs. Jo resume que “Encontramos, visualizamos e caracterizamos o fluxo de energia em escala de comprimento de onda por meio de SPPs nas proximidades de emissores individuais em nanoescala”.

A equipe mostrou que a nanoespectroscopia aprimorada com ponta é uma ferramenta poderosa para o estudo do campo próximo em sistemas SPP, permitindo que várias propriedades, como a orientação do dipolo e as implicações do design da amostra, sejam determinadas. “A capacidade de gerar imagens e examinar fenômenos fotônicos de subcomprimento de onda em semicondutores excitônicos torna [a microscopia óptica de varredura de campo próximo] uma ferramenta valiosa para estudos fundamentais, bem como para a caracterização de semicondutores”, diz Jariwala Profundo, que é o autor correspondente no artigo que descreve a obra. Essa compreensão aprimorada dos sistemas SPP será inestimável no desenvolvimento de dispositivos nano-optoeletrônicos práticos.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/surface-plasmon-polaritons-launched-by-nano-emitters-are-imaged-in-the-near-field/