Les chercheurs de l’Université nationale de Singapour (NUS) ont introduit une plate-forme de plasmonphore à conversion ascendante pour permettre un contrôle précis de la polarisation des nanoparticules isotropes à conversion ascendante (UCNP). Ceci est réalisé en couplant des activateurs de conversion ascendante avec des métasurfaces soigneusement conçues et prises en charge par le mode plasmon à espacement anisotrope.
Le couplage photon-plasmon dans les systèmes hybrides est un outil puissant pour étudier les interactions lumière-matière à l’échelle nanométrique, avec des applications potentielles dans divers domaines, notamment les lasers à semi-conducteurs miniaturisés, les spectromètres ultracompacts, la détection moléculaire sur puce et l’imagerie polarimétrique. Les UCNP dopés aux lanthanides sont particulièrement prometteurs en tant que sources de lumière quantique en raison de leurs pics d’émission distincts, de leur grand décalage anti-Stokes et de leur excellente photostabilité.
Les empreintes spectroscopiques caractéristiques fournies par ces pics d’émission facilitent l’identification précise des informations. Alors que des systèmes hybrides de conversion ascendante ont été explorés pour améliorer la dynamique de photoluminescence et de désintégration grâce au couplage plasmon-photon de surface, la symétrie du réseau cristallin des petits UCNP rend difficile l’obtention d’une anisotropie de polarisation. En outre, le contrôle de la polarisation de la lumière est essentiel pour diverses applications, telles que le codage d’informations, la technologie d’affichage et la détection biologique.
Une équipe de recherche dirigée par le professeur Liu Xiaogang du Département de chimie de NUS a conçu une approche permettant d’obtenir un contrôle précis de la polarisation sur les UCNP isotropes en couplant des activateurs de conversion ascendante avec des nanostructures complexes, connues sous le nom de métasurfaces prises en charge par le mode plasmon à trou anisotrope. La recherche est publié dans la revue Chimie.
En utilisant des antennes en forme de tige métallique, les chercheurs ont pu contrôler la polarisation de la lumière de ces UCNP isotropes d’une manière similaire à l’accord d’une radio sur différentes stations de radio. Cela leur a permis de contrôler la polarisation de la lumière de ces UCNP isotropes du visible au proche infrarouge, surmontant ainsi les contraintes posées par leur symétrie cristalline.
La conception métal-isolant-métal garantit l’existence de modes de double résonance puissants dans des directions orthogonales avec une interférence minimale les uns avec les autres. Il découple également les processus impliqués dans l’excitation et l’émission de la lumière.
En utilisant à la fois une excitation en champ lointain et des interférences électromagnétiques en champ proche, les UCNP isotropes peuvent être contrôlées pour produire des variations périodiques de l’amplitude d’émission, avec une grande sensibilité de polarisation d’excitation allant jusqu’à 83 %.
L’équipe de recherche a ensuite exploré comment la densité locale des particules lumineuses autour des antennes affecte la manière dont l’énergie est libérée par la nanoplate-forme hybride. En excitant le système de manière linéaire, cette nanoplate-forme hybride peut basculer entre quatre états de polarisation de conversion ascendante, permettant ainsi plusieurs niveaux de sortie de lumière dans des configurations de polarisation parallèles ou orthogonales.
Leur étude numérique a permis de mieux comprendre comment les modes anisotropes des plasmons affectent sélectivement l’état de polarisation de la lumière émise. Plus précisément, lorsque les facteurs d’amélioration de l’excitation sont beaucoup plus grands que les facteurs d’amélioration de l’émission, l’état de polarisation de conversion ascendante est déterminé par la polarisation d’excitation, conduisant à des caractéristiques de polarisation parallèle.
À l’inverse, lorsque les facteurs d’amélioration de l’émission sont comparables aux facteurs d’amélioration de l’excitation, les émetteurs couplés à conversion ascendante ont produit une lumière émise avec des propriétés anisotropes.
Le professeur Liu a déclaré : « Les polarisations de conversion ascendante à plusieurs niveaux pourraient ouvrir la voie à des systèmes photoniques innovants, offrant la flexibilité nécessaire pour adapter les fréquences et les directions de la lumière qui utilisent la lumière de manière unique. Cela ouvre des perspectives passionnantes pour le développement de dispositifs compacts qui exploitent la lumière de manière nouvelle pour photonique avancée.
Plus d’information:
Jiahui Xu et al, Polarisation de conversion ascendante à plusieurs niveaux activée par des plasmons programmables, Chimie (2023). DOI : 10.1016/j.chempr.2023.11.007