Projekt dotyczył plazmoniki metalicznych nanostruktur, a w

Nr wniosku: 166719, nr raportu: 12882. Kierownik (z rap.): dr inż. Witold Aleksander Jacak
Projekt dotyczył plazmoniki metalicznych nanostruktur, a w szczególności radiacyjnych efektów
plazmonów powierzchniowych w metalicznych nanocząstkach i opisu kolektywnych plazmonopolarytonów w metalicznych nano-matrycach. Nanoplazmonika od kilku lat wywołuje duże
zainteresowanie, zarówno w aspekcie badań podstawowych jak i aplikacyjnych. Możliwość
poddyfrakcyjnego manipulowania światłem przy pomocy nanometrowych rozmiarów metalicznych
komponentów otwiera nowe obszary fotoniki gdzie światło nie jest sterowane tylko odbiciem i
załamaniem. Nano-plazmonika stwarza też perspektywy na miniaturyzację optoelektroniki ograniczonej
do tej pory przez długość fali świetlnej znacznie przekraczającą nanometrowe rozmiary kwantowych
układów elektronowych. Plazmono-polarytony mają o rzędy mniejszą długość fal niż fotony o tej samej
energii i wydają się rozwiązywać problem dyfrakcyjnych ograniczeń, gdy sygnał świetlny zamienić
sygnałem plazmono-polarytonowym w specjalnie dobranych metalicznych nanometrowych rozmiarów
falowodach. W projekcie wykazano przydatność metalicznych nano-łańcuchów jako niemal idealnych,
radiacyjnie bezstratnych falowodów plazmonowych. Plazmonowy efekt jest również intensywnie badany
pod kątem przydatności w fotowoltaice, gdzie nanometrowe cząstki metaliczne (Au, Ag, Cu) na
powierzchni baterii słonecznej znacznie podnoszą jej sprawność. Działają one jak przekaźniki energii
słonecznej ułatwiając dostęp fotonów do pasmowej struktury półprzewodnika i zwiększają wytwarzany
foto-prąd w ogniwach. We wszystkich tych efektach podstawową rolę odgrywają radiacyjne własności
plazmonów silnie zależne zwłaszcza od rozmiarów nanocząstek. W projekcie oryginalnie rozwiązano
zagadnienie promieniowania plazmonów powierzchniowych w metalicznych nanosferach poprzez
mechanizm tzw. tarcie Lorentza. Okazuje się, że maksimum promieniowania osiągane jest dla średnich
rozmiarów nanocząstek (np. dla Au w próżni o promieniu 57 nm). Z kolei przeprowadzona w projekcie
analiza wykazała, że dla fotowoltaicznych zastosowań występuje konkurencja rozmiarowa: mniejsze
nanocząstki silniej wpływają na wzbudzanie elektronów w półprzewodniku ale z kolei większe mają
silniejszy wypadkowy dipol. Optymalne rozmiary to promień około 40 nm (dla Au), co zgadza się z
eksperymentalnymi obserwacjami. W projekcie badano także własności kolektywnych falowych
wzbudzeń plazmonów wzdłuż metalicznych nano-łańcuchów. W wyniku hybrydyzacji plazmonów z falą
e-m powstaje fala plazmono-polarytonu o wyjątkowych własnościach: nie traci energii przez
promieniowanie, jest skoncentrowana idealnie wzdłuż łańcucha, ma dużo mniejszą prędkość od światła, a
zetem krótszą długość fali, nie można jej zaburzyć fotonami i doskonale nadaje się do poddyfrakcyjnych
opto-elektronicznych zastosowań.
Osiągnięte w projekcie rezultaty wydają się mieć znaczący wpływ na dyscyplinę plazmoniki powiązanej z
nano-fotoniką, opto-elektroniką i fotowoltaiką. W szczególności w ramach dokładnego modelu
wyjaśniono kilka bardzo rozpowszechnionych w literaturze uproszczeń i błędnych ocen. Zainteresowanie
plazmoniką i poddyfrakcyjnymi możliwości manipulowania światłem jest wsparte ogromem już
zrealizowanych (jak plazmonowy efekt fotowoltaiczny, czy plazmonowo wzmocniona spektroskopia
ramanowska) i przyszłych zastosowań. Masowość powoduje z kolei uproszczenia i upowszechnianie się
uproszczonych schematów i dogłębne sformułowania, analizy i korekty są tu niezbędne.
Zupełnie nieoczekiwanym jest też wynik projektu w kierunku formułowania plazmoniki jonowych
układów w geometrii ograniczonych płynnych elektrolitów zamiast elektronowych metalicznych. To
pionierskie badania w kierunku mało rozpoznanym w przypadku ograniczonych elektrolitów, chociaż
jonowa plazmonika jonosfery czy gorącej plazmy to ogromne dziedziny. Wydaje się, że plazmonika
mikrometrowych biologicznych ograniczonych (lipidowymi błonami) struktur komórkowych kryć może
właśnie plazmonowe efekty. Wstępne rezultaty pozwoliły obecnie na sformułowanie kolejnego projektu
w kierunku soft-plazmoniki i jej zastosowań w rozszyfrowaniu komunikacji neuronowej w oparciu o
plazmono-polarytonowy mechanizm. Tysiące razy większe masy jonów i dużo mniejsze ich koncentracje
w porównaniu z elektronami w metalach powodują, że wysokie energie i charakterystyczne nanometrowe
rozmiary struktur dla metalicznych plazmonów zmieniają skalę w przypadku jonowych elektrolitów do
współmiernej z poziomem komórkowej organizacji.