科学者たちは、量子ドットから調整可能なプラズモンレーザーを作成しました

量子ドットスパーサーの顕微鏡写真

チューリッヒのスイス高等工科専門学校の科学者たちは、量子ドット共振器を備えた新しいタイプのプラズモンレーザーを提案しました。このタイプの共振器を使用すると、励起された表面プラズモンの波長を調整でき、その強度と単色性が大幅に向上します。 ScienceAdvancesに掲載された作品。

表面プラズモンは準粒子であり、金属の表面で発生する電子密度波です。表面プラズモンは、例えば、物質内部の電子プラズマと外部放射線との相互作用で発生する可能性があります。「QuantumAlphabet」サイクルから、私たちの資料にあるプラズモンやその他の準粒子について詳しく読むことができます。

2003年に、レーザーが光子を使って行うのと同様に、コヒーレントな表面プラズモンを生成できるデバイスの概念が提案されました。このようなデバイスは、プラズモンレーザーまたはスパーサーと呼ばれていました（誘導放出による英国の表面プラズモン増幅から）。このようなデバイスの表面プラズモンの強度は、レーザーによって生成された光ビームの強度よりもはるかに低いですが、はるかに正確に焦点を合わせることができます。これにより、このようなデバイスは、ナノスケールリソグラフィーでの使用や個々の分子のセンサーとしての使用に非常に有望です。

最初の実用的なスパーサーは2009年に作成されました。それはシリコンシェルでコーティングされた金ナノ粒子でした。現在、チューリッヒのスイス高等工科専門学校の科学者たちは、スパーサーの金属ベースとして銀の薄膜を使用し、光共振器として量子ドットを使用することを提案しています。レーザーの場合と同様に、スパーサーの光共振器は、多重反射により、プラズモン強度を高めることを可能にするシステムです。量子ドットを共振器要素として使用すると、光を吸収し、後でスペクトルの可視部分と紫外線部分で単色信号として再放射できるため、効果的です。スペクトルの可視部分と紫外線部分では、波長を変更することで波長を変更できます。量子ドットの組成またはサイズ。

彼らの研究では、スペーサー用の光共振器を作成する際に、科学者は複雑な組成の量子ドットを使用しました。セレン化カドミウムでできた半導体粒子のコアは、硫化カドミウムと硫化亜鉛の2つのシェルで覆われていました。この複雑な構造は、放出される光の長さを制御し、放出ピークの幅を減らすのに役立ちます。彼らの研究では、科学者は3種類の量子ドットを使用しました。放射波長が602、625、633ナノメートルで、黄色から赤までの色に対応します。

量子ドットは、長さ10ミクロン、幅2ミクロンのストリップの形で銀の薄層でコーティングされたシリコン基板上に堆積されました。ストリップの厚さは7〜16層であったため、キャビティの合計の厚さは100〜400ナノメートルでした。両側で、バンドは表面プラズモンを反射するより厚い銀のブロックによって制限され、共振器内での寿命を延ばしました。

（A）量子ドットに基づくプラズモン共振器の動作の概略図。（B）弱い励起での100量子ドットの発光スペクトル。（B）弱い励起での満たされた空洞の発光スペクトル。（D）共振器の顕微鏡写真。（E、F）異なる強度の光パルスによって励起された共振器の発光スペクトル

このようなシステムにレーザーを照射すると、その放射線は量子ドットに吸収され、銀層の表面プラズモンを励起します。表面プラズモンは、量子ドットストリップ内を伝播し、そのような共振器の垂直銀壁から繰り返し反射されます。これにより、プラズモン強度が増加します。プラズモン強度は、励起放射線の強度とタイプを変更することでさらに増加させることができます。

銀色のブロックの1つが細長い三角形の形で作られている場合、スペーサー信号は焦点を合わせて必要なポイントに向けることができます。このような要素は導波路として機能し、表面プラズモンをこの三角形の頂点に転送します。

プラズモンを目的のポイントに集束させる指向性要素を備えたプラズモンレーザー

そのような集束要素が量子ドットの薄層でさらにコーティングされている場合、プラズモン強度をさらに増加させることができる。

科学者によると、提案されたスパーサーの構成は、たとえば生体分子用の非常に感度の高いセンサーを作成するために非常に有望です。金属ナノ粒子で励起される表面プラズモンを他の目的に使用することは可能です。最近、科学者は、レーザーで液体の流れを方向付けることを可能にするメカニズムを提案しました。さらに、プラズモン共鳴は分析方法でも使用できます。たとえば、複雑な分子構造のコンフォメーションを正確に決定するために使用できます。