Forscher entwickeln eine Nanoantenne, die ein Nahfeld aus zirkular polarisiertem Licht erzeugt

Eine Forschungsgruppe der Universität Kobe in Japan hat eine Nanoantenne vorgeschlagen und getestet, die die spezifische optische Resonanz dielektrischer Nanopartikel nutzt, um ein Nahfeld aus zirkular polarisiertem Licht zu erzeugen. Diese Technik verstärkt die selektive Reaktion chiraler Moleküle auf zirkular polarisiertes Licht. Die Ergebnisse dieser Studie sollen Anwendungen in der Chiralitätsanalyse und asymmetrischen photochemischen Reaktionen für Biomoleküle, chemische Substanzen und Arzneimittel ermöglichen.

Unter „Chiralität“ versteht man die Eigenschaft eines Stoffes, sich nicht mit seinem Spiegelbild überlagern zu lassen. Da die spiegelbildlichen Isomere chiraler Moleküle deutlich unterschiedliche physiologische Wirkungen haben, besteht in den Bereichen Life Science und Pharmakologie ein großer Bedarf an neuen Technologien zur effizienten Identifizierung und Sortierung von Spiegelisomeren.

Es stehen Detektionsmethoden und photochemische Reaktionen zur Verfügung, die den Unterschied in der optischen Absorption für links- und rechtszirkular polarisiertes Licht (Zirkulardichroismus) in chiralen Molekülen nutzen. Die Analyse mit diesen vorhandenen Techniken erfordert jedoch hohe Probenkonzentrationen und erhebliche Messzeiten. Diese Anforderungen ergeben sich aus dem winzigen Absorptionsunterschied zwischen links- und rechtszirkular polarisiertem Licht aufgrund der geringen Größe chiraler Moleküle im Verhältnis zur Helixganghöhe dieses Lichts.

Der zunehmende Zirkulardichroismus erfordert eine Technologie, die verstärkte Felder mit zirkularer Polarisation in nanoskaligen Bereichen erzeugt, die kleiner als optische Wellenlängen sind. Die optische Chiralität, ein Maß für das verstärkte Feld der Zirkularpolarisation, wird maximiert, wenn sowohl das elektrische als auch das magnetische Feld verstärkt werden und die Händigkeitsrichtung der einfallenden Zirkularpolarisation (Helizität) erhalten bleibt. Herkömmliche Nanoantennen (z. B. Metall-Nanoantennen mit lokalisierter Oberflächenplasmonenresonanz) resonieren jedoch mit dem einfallenden elektrischen Feld, ihre Reaktion auf das einfallende Magnetfeld ist jedoch minimal und blockiert die Erhaltung der Helizität. Daher ist die Entwicklung eines neuen Typs von Nanoantennen erforderlich, die sowohl in elektrischen als auch in magnetischen Feldern schwingen.

Diese Studie, veröffentlicht in Nano-Buchstaben, konzentrierte sich auf die Mie-Resonanz dielektrischer Nanopartikel mit einem hohen Brechungsindex. Mie-Resonanzen umfassen elektrische und magnetische Dipolresonanzen (Abbildung 1, links), und dielektrische Nanopartikel mit Mie-Resonanzen niedriger Ordnung in Lichtfrequenzbereichen können sowohl einfallende elektrische als auch magnetische Felder verstärken. Solche Nanopartikel sind elektromagnetisch symmetrisch und werden als „doppelte“ Nanoantennen bezeichnet (Abbildung 1, rechts).

Duale Nanoantennen verstärken die optische Chiralität durch ihre beiden Resonanzen, obwohl diese Nanoantennen eine achirale Struktur haben. In diesem Fall behält das Streulicht der Resonanz die Helizität (Händigkeit der Zirkularpolarisation) des einfallenden Lichts bei. In dieser Studie entwickelte die Forschungsgruppe eine neue Art von Nanoantenne, die sowohl elektromagnetische Felder verstärken als auch die Zirkularpolarisation mithilfe von Mie-Resonanzen im visuellen und nahen Infrarotspektrum aufrechterhalten kann.

Zunächst berechneten die Forscher die Helizitätsdichte der optischen Resonanz in Silizium-Nanopartikeln auf der Grundlage der Mie-Theorie. Sie zeigten, dass diese Partikel die Helizität des einfallenden zirkular polarisierten Lichts unter Kerker-Bedingungen bewahren – gleiche Intensität und Phase in den elektrischen und magnetischen Dipolresonanzen – und ein Nahfeld aus zirkular polarisiertem Licht bilden.

Um diese Eigenschaft zu demonstrieren, verwendete die Forschungsgruppe eine kolloidale Lösung kristalliner Silizium-Nanopartikel, die sie unabhängig entwickelt hatte. Abbildung 2(a) zeigt ein Foto kolloidaler Lösungen unterschiedlich großer Silizium-Nanopartikel. Die Unterdrückung der Größenverteilung auf weniger als 5 % führt zu einer lebendigen Streufärbung.

Das Team konstruierte einen Aufbau, um die rechts- und linkszirkular polarisierten Komponenten des Streulichts genau zu messen, wenn die Nanopartikel mit rechtszirkular polarisiertem Licht bestrahlt werden, wodurch das Helizitätsdichtespektrum erhalten wurde. Partikel ohne diese „doppelte“ Resonanz (z. B. Goldnanopartikel) zeigen Veränderungen in der Streulichtpolarisation, wie in Abbildung 2(b) dargestellt, und bewahren die Helizität des einfallenden Lichts nicht.

Die Helizitätsdichte ist sowohl in Experimenten als auch in Berechnungen nahezu Null, wie in Abbildung 2(c) dargestellt. Unterdessen bewahren „duale“ Nanopartikel, die die Kerker-Bedingungen erfüllen, die Streulichthelizität des einfallenden zirkular polarisierten Lichts (Abbildung 2(d)). Die in Abbildung 2(e) gezeigte kolloidale Lösung von Siliziumnanopartikeln ermöglicht es, dass die Helizitätsdichte einen theoretischen Wert von 0,96 und einen experimentellen Wert von 0,7 bei einer Wellenlänge von etwa 680 nm erreicht.

Dieses Ergebnis deutet auf die Bildung eines zirkular polarisierten Nahfeldes auf der Nanopartikeloberfläche hin. Die Forschungsgruppe hat ähnliche Messungen an Silizium-Nanopartikeln mit durchschnittlichen Durchmessern im Bereich von 114 bis 179 nm durchgeführt und gezeigt, dass die Erhaltung der Helizität von einfallendem zirkular polarisiertem Licht bei Wellenlängen von 550 bis 750 nm möglich ist.

Nahfelder aus zirkular polarisiertem Licht verstärken die Wechselwirkung zwischen Licht und chiralen Molekülen. Dieser Effekt verbessert den Zirkulardichroismus chiraler Moleküle, ermöglicht eine hochempfindliche Detektion und Analyse und erhöht die Effizienz asymmetrischer photochemischer Reaktionen mit potenziellen Anwendungen im pharmazeutischen Bereich. Darüber hinaus hat die entwickelte Nanopartikellösung Potenzial als neue Flüssigkeit zur Steuerung der Lichtpolarisation.