Figura 1. Esquema de dipolo elétrico, dipolo magnético e nanoantena “dual”. Crédito: Sugimoto Hiroshi
Um grupo de pesquisa da Universidade de Kobe, no Japão, propôs e testou uma nanoantena que usa a ressonância óptica específica de nanopartículas dielétricas para formar um campo próximo de luz circularmente polarizada. Esta técnica reforça a resposta seletiva de luz polarizada circularmente de moléculas quirais. Os resultados deste estudo devem fornecer aplicações em análise de quiralidade e reações fotoquímicas assimétricas para biomoléculas, substâncias químicas e produtos farmacêuticos.
“Quiralidade” refere-se à propriedade de uma substância que não pode ser sobreposta à sua imagem no espelho. Uma vez que os isômeros de imagem espelhada de moléculas quirais têm efeitos fisiológicos significativamente diferentes, há uma grande demanda nos campos das ciências da vida e da farmacologia por novas tecnologias para identificar e classificar os isômeros espelho com eficiência.
Estão disponíveis métodos de detecção e reações fotoquímicas que utilizam a diferença na absorção óptica para luz polarizada circularmente à esquerda e à direita (dicroísmo circular) em moléculas quirais, mas a análise usando essas técnicas existentes requer altas concentrações de amostra e tempos de medição significativos. Esses requisitos decorrem da minúscula diferença de absorção entre a luz polarizada circularmente à esquerda e à direita devido ao pequeno tamanho das moléculas quirais em relação ao passo helicoidal dessa luz.
O aumento do dicroísmo circular requer uma tecnologia que crie campos aprimorados com polarização circular em regiões de nanoescala menores que os comprimentos de onda ópticos. A quiralidade óptica, uma medida do campo aprimorado de polarização circular, é maximizada quando os campos elétrico e magnético são aprimorados e a direção da lateralidade da polarização circular incidente (helicidade) é preservada. No entanto, nano-antenas convencionais (por exemplo, nano-antenas de metal com ressonância de plásmon de superfície localizada) ressoam com o campo elétrico incidente, mas sua resposta ao campo magnético incidente é mínima, bloqueando a preservação da helicidade. Portanto, é necessário desenvolver um novo tipo de nanoantena que ressoe tanto em campos elétricos quanto magnéticos.
Este estudo, publicado em Nano Letras, focado na ressonância Mie de nanopartículas dielétricas com alto índice de refração. As ressonâncias Mie incluem ressonâncias dipolo elétricas e magnéticas (Figura 1, à esquerda), e nanopartículas dielétricas com ressonâncias Mie de baixa ordem em faixas de frequência de luz podem aumentar os campos elétricos e magnéticos incidentes. Essas nanopartículas são eletromagneticamente simétricas e denominadas nano-antenas “duplas” (Figura 1, à direita).
Nano-antenas duplas aumentam a quiralidade óptica com suas duas ressonâncias, embora essas nano-antenas tenham uma estrutura aquiral. Neste caso, a luz espalhada da ressonância preserva a helicidade da luz incidente (lateralidade de polarização circular). Neste estudo, o grupo de pesquisa desenvolveu um novo tipo de nanoantena que pode aumentar os campos eletromagnéticos e manter a polarização circular usando ressonâncias de Mie nos espectros visual e infravermelho próximo.
Primeiro, os pesquisadores calcularam a densidade de helicidade da ressonância óptica em nanopartículas de silício com base na teoria de Mie. Eles demonstraram que essas partículas preservam a helicidade da luz polarizada circularmente incidente sob condições de Kerker – igual intensidade e fase nas ressonâncias de dipolo elétrico e magnético – formando um campo próximo de luz polarizada circularmente.
(a) Fotografias de nanopartículas de Si coloidais em água com diferentes diâmetros. (b, d) Esquemas de espalhamento de luz circularmente polarizada em nanopartículas “não-duais” (b) e “duais” (d). (c, e) Espectros de densidade de helicidade calculados e medidos de nanopartículas de Au (c) e Si (e). Crédito: Nano Letras (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c01026
Para demonstrar essa propriedade, o grupo de pesquisa usou uma solução coloidal de nanopartículas de silício cristalino que desenvolveram de forma independente. A Figura 2(a) mostra uma fotografia de soluções coloidais de nanopartículas de silício de tamanhos diferentes. Suprimir a distribuição de tamanho para menos de 5% resulta em coloração de dispersão vívida.
A equipe construiu uma configuração para medir com precisão os componentes de polarização circular direita e esquerda da luz espalhada quando as nanopartículas são irradiadas com luz polarizada circularmente no sentido horário, obtendo o espectro de densidade de helicidade. Partículas sem essa ressonância “dual” (por exemplo, nanopartículas de ouro) exibem mudanças na polarização da luz espalhada, conforme mostrado na Figura 2(b), e não preservam a helicidade da luz incidente.
A densidade de helicidade é quase zero em ambos os experimentos e cálculos, conforme mostrado na Figura 2(c). Enquanto isso, as nanopartículas “duplas” que satisfazem as condições de Kerker preservam a helicidade da luz espalhada da luz polarizada circularmente incidente (Figura 2(d)). A solução coloidal de nanopartículas de silício mostrada na Figura 2(e) permite que a densidade de helicidade atinja um valor teórico de 0,96 e um valor experimental de 0,7 em um comprimento de onda em torno de 680 nm.
Este resultado indica a formação de um campo próximo polarizado circularmente na superfície da nanopartícula. O grupo de pesquisa realizou medições semelhantes em nanopartículas de silício com diâmetros médios variando de 114 a 179 nm e demonstrou que a conservação da helicidade da luz polarizada circularmente incidente é possível em comprimentos de onda de 550 a 750 nm.
Campos próximos de luz polarizada circularmente aumentam a interação entre a luz e as moléculas quirais. Este efeito melhora o dicroísmo circular de moléculas quirais, permitindo detecção e análise altamente sensíveis e aumentando a eficiência de reações fotoquímicas assimétricas, com aplicações potenciais na área farmacêutica. Além disso, a solução de nanopartículas desenvolvida tem potencial como um novo líquido para controlar a polarização da luz.
Mais Informações:
Hidemasa Negoro et al, Helicity-Preservando Optical Metafluids, Nano Letras (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c01026
Fornecido pela Universidade de Kobe
Citação: Pesquisadores desenvolvem uma nano-antena que forma um campo próximo de luz polarizada circularmente (2023, 28 de junho) recuperado em 28 de junho de 2023 em https://phys.org/news/2023-06-nano-antenna-field-circularly-polarized .html
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