När kirala guldnanopartiklar bestrålas med femtosekundspulser i nära infrarött, observeras synlig emission av luminescens. I en studie som publicerades i Advanced Optical Materials visade sig denna luminescens ge hög selektivitet för vänster- eller högerhänt cirkulärt polariserat ljus, beroende på nanopartiklarnas kiralitet, med en dissymmetrifaktor på cirka 0,7. Detta resultat tyder på att det finns potential att lyfta olika tillämpningar som använder cirkulärt polariserat ljus till praktiska nivåer.
Forskargruppen, som leds av Project Assistant Professor Dr. Hyo-Yong Ahn, Dr. Khai Quang Le, Dr. Tetsuya Narushima, Research Assistant Professor Dr. Junsuke Yamanishi och Professor Dr. Hiromi Okamoto från Institute for Molecular Science, samt Dr. Ryeong Myeong Kim och Professor Dr. Ki Tae Nam från Seoul National University, fann att den synliga luminescensen från kirala guldnanopartiklar som orsakas av bestrålning med nära infraröda femtosekundspulser beror på nanopartiklarnas kiralitet och ger hög selektivitet för vänster- eller högerhänt cirkulärt polariserat ljus.
Medan dissymmetrifaktorn för cirkulär polarisering av luminescens i de flesta kirala material typiskt är i storleksordningen 0,01 eller lägre, uppvisade emissionen från dessa kirala guldnanopartiklar en hög dissymmetrifaktor på cirka 0,7.
Kiralitet är en egenskap hos material som gör att deras struktur inte kan överlagras på en spegelbild av sig själv. Ljus har också en kiral struktur i form av cirkulär polarisation, som kan vara vänster- eller högerhänt. Cirkulärt polariserat ljus har möjliga framtida tillämpningar inom områdena spåranalys av kirala substanser, antiförfalskning, kvantinformation, skärmar eller displayer, och så vidare.
Ett antal forskningsrapporter om effektiva metoder för generering av cirkulärt polariserat ljus har publicerats. En sådan metod innebär att cirkulär polarisation genereras genom luminescens från ett material som exciteras av ljus, där våglängderna för det exciterade och det emitterade ljuset är olika.
Även om många studier har utvecklat material som genererar cirkulär polarisation med hjälp av denna metod, ger de i de flesta fall endast små dissymmetrifaktorer. Det vill säga, de producerar blandat vänster- och högerhänt cirkulärt polariserat ljus, med endast en liten intensitetsskillnad mellan dem.
Dissymmetrifaktorn är en indikator på hur mycket den cirkulära polarisationen är förskjuten till att vara vänster- eller högerhänt. Den bestäms genom att beräkna skillnaden mellan den vänster- och högercirkulärt polariserade intensiteten dividerad med deras genomsnitt. Ren cirkulär polarisation har en dissymmetrifaktor (g-värde) på ±2, och linjärt eller opolariserat ljus har ett g-värde på 0. De flesta traditionella cirkulärt polariserade ljusemitterande material har en dissymmetrifaktor i storleksordningen 0,01 eller mindre, och därför har det varit svårt att på ett tillförlitligt sätt identifiera det genererade cirkulärt polariserade ljuset.
Forskargruppen fokuserade på den synliga luminescens som genereras när kirala guldnanopartiklar bestrålas med femtosekundspulser i nära infrarött. Även om det infallande ljuset var icke-chiralt och linjärt polariserat, visade sig det utsända ljuset vara mycket selektivt för antingen vänster- eller högerhänt cirkulär polarisation.
Dissymmetrifaktorn var cirka 0,7, vilket indikerar en betydligt högre grad av cirkulär polarisation jämfört med många andra cirkulärt polariserade ljusemitterande material som använts i tidigare studier (dissymmetrifaktorerna är vanligtvis i storleksordningen 0,01 eller mindre). Dessutom avslöjade teoretiska beräkningar och analyser mekanismen för denna höga selektivitet.
Denna forskning visar att chirala strukturerade metallnanopartiklar är användbara material för att generera cirkulärt polariserat ljus, förspänt till vänster- eller högerpolarisation.
Förståelsen av denna mekanism ger också riktlinjer för effektivare generering av cirkulär polarisation. Detta arbete banar väg för utveckling av material och enheter som effektivt kan generera cirkulär polarisation vid olika våglängder och tillämpningar inom antiförfalskning och kvantinformation med hjälp av cirkulärt polariserat ljus.
Ytterligare information: Hyo‐Yong Ahn et al, Highly Chiral Light Emission Using Plasmonic Helicoid Nanoparticles, Advanced Optical Materials (2024). DOI: 10.1002/adom.202400699
