Учёные преодолели главное ограничение плазмонов с помощью «спектрального похудения»

Исследователи из Сингапурского университета технологий и дизайна (SUTD) и их международные коллеги представили новую стратегию, которая позволяет преодолеть давнее ограничение плазмонных наноструктур — высокие оптические потери в металлах, приводящие к широким спектральным линиям.

Вместо того чтобы перепроектировать саму наночастицу или помещать её в сложные оптические резонаторы, команда сфокусировалась на инженерии фотонного субстрата (подложки) под частицей. Этот подход позволяет управлять тем, как свет и энергия обмениваются с окружающей средой.

«Теперь у нас есть новый способ контролировать, как наночастица связывается с окружающим вакуумом, — сказал доцент Линь У, один из авторов работы. — Тщательно проектируя фотонную подложку, мы создаём настроенные оптические пути, которые меняют электромагнитное окружение. Это позволяет нам резко сузить плазмонные резонансы».

Теоретическая основа работы рассматривает плазмоны, фотонные моды и вакуумный резервуар на равных. Фотонные субстраты можно спроектировать так, чтобы открывать или закрывать определённые радиационные оптические пути, что коренным образом меняет поток энергии от наночастицы в свободное пространство.

Когда оптический путь «открыт», субстрат делится своим высокодобротным (high-Q) радиационным каналом с плазмонной модой. В результате плазмонный резонанс приобретает исключительно высокую добротность, сохраняя при этом сильное пространственное ограничение в наномасштабной «горячей точке».

Численное моделирование показало, что инженерия фотонной подложки может уменьшить эффективный модный объём плазмона одиночной наночастицы в пять раз, одновременно увеличив его добротность более чем в 80 раз по сравнению с обычной диэлектрической подложкой.

Эксперименты с индивидуальными золотыми наностержнями на изготовленных подложках подтвердили теоретические прогнозы, продемонстрировав выраженное сужение линии и контролируемое изменение спектра.

Этот модульный и гибкий подход, не требующий сверхточной нанопозиции частиц, открывает путь к созданию нового поколения плазмонных устройств для чипов, включая ультраузкие одночастичные лазеры, усиленные источники одиночных фотонов и сверхчувствительные сенсоры.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review B.