원편광에 의한 플라즈몬 이량체의 스핀 및 궤도 회전

결과 및 토론

우리는 수직으로 입사하는 LH CP 평면파 또는 초점면에서 집중된 가우시안 빔에 의해 조사된 반경 100nm의 두 개의 동일한 Au NP에 가해지는 광학적 힘과 토크를 연구합니다. 주변 매체는 물입니다. 중심에서 평면파 또는 가우스 빔의 플루언스는 25MW/cm ² 입니다. . 가상 기판에 의해 지지되는 두 개의 독립형 NP의 중심은 xy 평면(초점면). 광학력(F _r , F _θ ) 대 입자간 거리 d CP 평면파 또는 λ의 웨이스트가 500nm인 집속된 가우시안 빔의 경우 =800 nm는 각각 그림 2a, b에 나와 있습니다. 이 NP의 중앙 단면은 가우스 빔의 초점 평면에 있습니다. 그림 2a는 평면파의 경우 F가 있는 몇 가지 안정적인 평형 입자간 거리가 있음을 나타냅니다. _r =0 및 음의 기울기; 첫 번째 d ₁ 603nm에 있고 두 번째 것은 d입니다. ₂ 1204nm에서 이러한 "안정적인 평형" 입자간 거리는 매질에서 파장의 정수 배수에 가깝습니다. 즉, d _m =mλ /n , 여기서 n 는 매질의 굴절률이고 m =1, 2, 3... 광학적 결합력에 의한 장거리 광물질 상호작용의 결과이다. 그것은 두 개의 NP를 연결하는 광학 스프링이 있음을 시사합니다. 복원력 F _r 광학 스프링은 이러한 안정적인 평형 입자간 거리에서 NP를 서로 멀리 유지합니다. 가우스 빔의 경우 처음 두 개의 안정 평형 입자간 거리 d ₁ 그리고 d ₂ 그림 2b와 같이 각각 585nm와 1131nm로 가우시안 빔에 의해 유도된 경사력으로 인해 평면파보다 약간 작습니다.

광학력(F _r , F _θ ) 대 d λ에 대한 =800nm(CP a 기준) 평면파 및 b 초점면에서 웨이스트가 500nm인 가우스 빔입니다. 광학력의 2D 유선형 맵(F _r , F _θ ) CP c에 의해 유발됨 평면파 및 d 가우스 빔. 색상 막대는 F의 진폭을 나타냅니다. _r . 점선 링은 NP가 접촉하는 두 NP의 중심의 한계 원입니다.

실제로, 세로 궤도 토크 F _θ d /2는 이 NP를 직경이 d인 궤도에서 회전하도록 합니다. ₁ 그리고 d ₂ . 가우스 빔의 경우 궤도는 빔 축의 중심에 위치합니다. 방위각 광학력의 부호(F _θ )은 가우시안 빔에 의해 유도된 첫 번째 안정 평형 궤도에서 세로 궤도 회전(회전)이 평면파에 의한 궤도 회전과 반대임을 나타냅니다. 이것은 음수 F _θ CP 가우시안 빔은 음의 궤도 토크 F를 생성합니다. _θ d ₁ /2 첫 번째 안정 평형 궤도에서; 더 중요한 것은 Au 이합체의 궤도 회전 나선이 입사 CP 빛의 방향과 반대라는 것입니다[12]. F _θ d와 같이 항상 음수입니다. 가우스 빔이 있는 경우> 300nm, 음의 궤도 토크로 인한 광학적으로 결합된 NP의 역회전(회전) 현상은 광학 핀셋 시스템에서 쉽게 관찰됩니다. 음의 광학 궤도 토크는 가우시안 빔의 꼬인 EM 필드에 기인할 수 있습니다[23].

힘 F에 의해 구동되는 구의 스톡스 법칙에 따르면 점성 유체에서 이동하기 위한 최종 속도 v _T v입니다 _T =F /(6πrη ), 여기서 η 는 물의 동적 점도(0.001kg/m)입니다. 이는 점성 유체의 항력과 균형을 이루는 적용된 힘의 결과입니다[39]. Stokes의 법칙에 따라 점성 매체에서 NP의 종단 속도 벡터는 적용된 힘에 비례합니다[39]. 따라서 우리는 광학 포스 필드를 사용하여 이러한 NP의 궤적과 거의 동일한 유선을 얻었습니다. 또한, 광학적 힘 벡터 필드(F)에서 직접 얻은 2D 유선형 맵 _r , F _θ ) NP에 가해지는 는 각각 평면파 및 가우시안 빔에 대해 그림 2c, d에 표시됩니다. 여기서 색상 막대는 F의 진폭을 나타냅니다. _r . 각 점에서 유선의 접선은 광학적 힘 벡터와 평행하므로 NP의 속도에도 평행합니다. 작은 입자간 거리 범위(d <d _0.5 ), 반경 방향 광학력 F _r 음수이므로 그림 2c, d와 같이 이 두 NP는 서로 끌어당겨 결국 충돌하게 됩니다. 점선 링은 NP가 접촉하는 두 NP의 중심의 한계 원입니다. 내부 고리(파란색)는 단거리 상호 작용 영역입니다. 내부 링 C _0.5 내부 고리 사이(파란색, 음수 F 포함) _r ) 및 두 번째 고리(빨간색, 양수 F 포함) _r )은 Au 이량체의 단거리 및 장거리 상호 작용 영역 사이의 경계선입니다. C의 지름 _0.5 d입니다 _0.5 =291 nm(그림 2c 및 d) _0.5 =296 nm(그림 2d). 장거리(d _0.5 <d <d _1.5 ), 방사형 및 방위각 광학력은 두 개의 결합된 NP를 구동하여 첫 번째 안정 평형 궤도 C에 접근합니다. ₁ 직경 d ₁ 광학적 결합력의 영향으로 인해. 광학적으로 결합된 Au 이합체는 궤도 C를 따라 시계 반대 방향(CCW)으로 회전합니다. ₁ (d ₁ =603 nm) 그림 2c에서는 C를 따라 ₁ (d ₁ =585nm) 그림 2d에서 시계 방향(CW)입니다. 전자의 회전은 양의 오비탈 토크(F _θ > 0), 후자는 음의 궤도 토크(F _θ <0). CP 평면파(여기에는 표시되지 않음)에 의해 조사된 603nm의 안정적인 평형 거리를 갖는 이량체의 산란 단면 스펙트럼에 대한 분석에 따르면, 광학적으로 결합된 이량체의 결합 표면 플라즈몬 공명(SPR)은 거의 단일 NP(530nm)의 공명을 벗어난 입사광에 해당하는 800nm입니다. 일반적으로 이량체의 커플링 SPR은 입자 간 거리에 따라 다릅니다. 거리가 멀수록 이합체의 커플링 SPR이 더 적색으로 이동합니다. 더 긴 파장의 가우스 빔(예:1064nm)을 사용하면 안정 평형 입자간 거리가 증가합니다. 그러나 두 NP 사이의 거리가 너무 멀어지면 광 결합 효과가 감소하여 결합 SPR이 점차 사라집니다. 결과적으로 530nm에서 단일 NP의 SPR이 지배적입니다.

직경이 d인 궤도를 따라 움직이는 반경 100nm의 Au NP의 경우 및 각속도 Ω_z , 속도는 Ω_z입니다. d /2 =F _θ /(6πrμ ). 가우시안 빔이 적용된 경우(F _θ =− 4 pN), 각속도 Ω_z (초당 주기) C를 따라 ₁ 약 - 7kHz입니다. 크기의 순서는 실험 결과와 일치합니다[12]. r의 두 Ag NP의 궤도 회전 각속도 14mW의 가우스 빔에 의해 조사된 =5nm는 − 4kHz입니다. d인 경우 _1.5 <d <d _2.5 , 이 NP는 2차 안정 평형 궤도 C에 접근하여 회전합니다. ₂ (여기에는 표시되지 않음). 이러한 경우 F의 광학적 힘 _z 방사선 압력으로 인해 이러한 NP를 하류로 밀어내는 것은 음수입니다. F _z =− 161.3pN은 평면파이고 − 117.2pN은 가우시안 빔입니다. 이는 F의 구동 광학력의 균형을 맞추기 위해 지지 기판으로부터의 반력이 필요함을 추론합니다. _z . 결과적으로 z의 합력 이 NP에 대한 방향은 0입니다. 이 두 NP는 xy 초점 평면의 평면입니다.

한편, Fig. 3a, b는 광학적 스핀 토크(M _r , 남 _θ , 남 _z ) 대 d 초점면에서 평면파와 가우시안 빔에 의해 각각 유도됩니다. 이 두 NP의 결과가 동일하기 때문에 광학 스핀 토크 세트만 여기에 표시됩니다. 앞의 두 개(M _r , 남 _θ )는 가로 스핀 토크이고 후자는 M입니다. _z 세로형이다. 세로 스핀 토크의 나선도는 두 경우 모두에서 입사광의 방향과 동일함을 알 수 있습니다. 이는 입사된 CP 광의 흡수된 광자의 각운동량이 회전 및 궤도 회전을 위해 이러한 NP로 전달되기 때문입니다. 가로 광학 스핀 토크(M _r , 남 _θ ) 가우스빔에 의해 유도되는 파동은 평면파에 의해 유도되는 파동에 비해 상당히 크다. 이것은 가우스 빔의 초점 평면에서 꼬인 EM 필드의 가로 구성 요소에 기인할 수 있습니다. 더욱이, 광학 가로 스핀 토크의 최대 크기는 대략 첫 번째 안정 평형 궤도 C에서 발생합니다. ₁ (d ₁ =585nm), 그림 3b와 같습니다. 토크 M만큼 회전하는 회전하는 구체의 스톡스 법칙에 따르면 점성 유체에서 구의 종단 각속도는 ω입니다. _T =남 /(8πr ³ μ ) [18]. 따라서 C에서 NP의 종방향/횡방향 스핀 각속도의 크기는 ₁ 약 10kHz이며, 그 중 약 3.5kHz인 측정된 세로 스핀 속도[15]와 크기가 일치합니다. 요약하면, 위의 현상은 Fig. 2b 및 3b는 세로 궤도 회전이 세로/가로 회전을 동반함을 보여줍니다. 결합된 두 NP의 움직임은 쌍성계의 움직임과 유사합니다. 여기서 광학력은 이러한 NP에 대한 결합 및 궤도 구동력을 제공할 뿐만 아니라 광학 스핀 토크로 인해 회전합니다.

광학 스핀 토크(M _r , 남 _θ , 남 _z ) 대 d λ에서 =800nm(a) 평면파 및 b w가 있는 가우스 빔 ₀ =초점면에서 500nm

또한, 광학 핀셋의 대상물의 조리개를 조정하여 입사 빔의 크기를 변경함으로써 가우시안 빔의 개구수와 허리를 변경할 수 있습니다. 그림 4a는 광학 궤도 토크 F를 보여줍니다. _θ d /2 해당하는 첫 번째 안정 평형 궤도에서 회전하는 반경 100nm의 두 결합된 Au NP(d =d ₁ ) 대 λ의 CP 가우스 빔의 허리 =800nm. 해당하는 첫 번째 안정 평형 거리 d ₁ 평면파는 w의 특수한 경우로 취급될 수 있는 그림 4a(오른쪽의 눈금 막대)에도 표시됩니다. ₀ → ∞. 양의 궤도 토크와 음의 궤도 토크 사이의 가우스 빔 허리의 전환점은 F에 해당하는 1150nm입니다. _θ =0, 그림 4a와 같이. 가우스 빔의 웨이스트가 작을수록 음의 궤도 토크의 크기가 커집니다. 허리가 커질수록 d ₁ 가우스 빔의 값은 평면파(w)의 값(603nm)에 접근합니다. ₀ → ∞). 특히 허리가 줄어들수록 횡방향 스핀 토크(M _r , 남 _θ ) d에서 ₁ 크게 증가하는 반면 세로 스핀 토크 M _z 그림 4b와 같이 감소합니다. 이러한 결과는 가우시안 빔의 웨이스트가 전자기장의 왜곡 정도에 따라 음의 세로 궤도 토크와 가로 스핀 토크를 유발하는 핵심 요소임을 보여줍니다.

아 광학 궤도 토크 및 d ₁ 첫 번째 안정 평형 궤도 대 λ의 가우스 빔의 허리에서 =800nm. 양의 또는 음의 궤도 토크를 생성하기 위한 허리의 전환점은 1150nm입니다. ㄴ d에서 허리에 대한 광학적 스핀 토크 ₁

음의 궤도 회전의 메커니즘과 이러한 NP의 가로 회전은 광선의 궤도 각운동량의 기여 없이도 라이트 필드의 회전 각운동량의 컬에 기인할 수 있습니다[23]. Au 이합체에 대한 음의 세로 궤도 토크와 가로 스핀 토크의 성능을 통해 광자의 플라즈몬 강화 SOC가 나타날 수 있습니다. 또한 이합체의 궤도 회전 방향과 개별 NP의 회전 방향은 입사광의 방향에 따라 달라집니다.