Оседлав плазмонную волну

Исследователи из Калифорнийского Технологического Института продемонстрировали, как при возбуждении наночастицы лазерным излучением электрическое поле, окружающее эту частицу, изменяется как в пространстве, так и во времени.

Появление сверхбыстрой методики стало лишь благодаря сочетанию фемтосекундных лазерных импульсов с электрическим зондом. Такое сочетание позволило добиться того, что некоторые из электронов оказывались в нужное время для того, чтобы перемещаться на гребнях или впадинах волн электромагнитного поля.

При возбуждении видимым светом ряда металлов, как, например, золото и серебро, может происходить возбуждение плазмонных состояний этих металлов, приводящее к осцилляции электронов. Такое движение заряженных частиц приводит к созданию электромагнитного поля как внутри, так и вне кристалла металла. Однако что происходит, если размеры металлической частицы меньше длины волны возбуждающего ее света?

Чтобы ответить на этот вопрос лауреат Нобелевской Премии по химии Ахмед Зеваль (Ahmed Zewail) совместно с Айканом Ертсевером (Aycan Yertsever) и Ренске ван дер Вееном (Renske van der Veen) разработал метод, позволяющий использовать те же импульсы лазера, которые возбуждают плазмонное поле, для активации фотокатода и создания фемтосекундных электронных импульсов, которыми и знаменита лаборатория Зеваля. Такой подход позволил добиться того, что движущиеся в металле электроны взаимодействуют с изменяющимся электронным полем, образующимся благодаря возбуждению наночастицы лазерным излучением.

Методика, напоминающая спектроскопию характеристических потерь энергии электронами, позволила исследователям измерить характеристики электромагнитного поля, генерируемого наночастицей в результате оптического возбуждения.

Почти как серферы, часть электронов «оседлывают гребень» электромагнитной волны, получая энергию, те же, которые оказываются во впадине волны, теряют энергию. В ходе такого сканирования удается построить диаграмму, характеризующую свойства электромагнитного поля, получив картины изменения электромагнитного поля наночастиц как во времени, так и в пространстве – такую информация ранее просто не было возможно получить.

Новая методика была похожа на спектроскопию характеристических потерь энергии электронами [ ХПЭЭ-спектроскопия – electron energy loss spectroscopy (EELS)], основанную на том, что электроны теряют энергию, передавая ее возбуждаемому материалу, при этом часть электронов все же приобретает энергию, тем более, что при изучении электромагнитного поля, генерируемого возбужденными наночастицами, применялась математическая обработка результатов, сходная с математической обработкой, использующейся при обработке результатов ХПЭЭ-спектроскопии.

По словам Ертсевера новая методика позволит исследователям получать информацию о локализации и рассеивании света вокруг плазмонных наночастиц. Эта информация весьма важна для разработки различных технологических приложений, в которых используются наночастицы – молекулярные сенсоры, солнечные батареи и компьютерные чипы.