Risonanza Plasmonica di Superficie

Nella immagine sopra l’onda evanescente eccita la risonanza plasmonica sulla superficie di un sottile strato di oro, l’onda plasmonica viene diffusa e produce la macchia rossa luminosa che si vede sul prisma.

In questo post mostriamo come realizzare un esperimento con l’obiettivo di produrre e misurare la risonanza plasmonica sulla superficie di un sottile strato d’oro.

La Plasmonica

La SPR (risonanza plasmonica di superficie) è un processo fisico che si osserva quando la luce polarizzata colpisce un film metallico in condizioni di riflessione totale interna.
In corrispondenza dell’interfaccia tra due mezzi trasparenti con diverso indice di rifrazione (ad esempio vetro e aria) la luce proveniente dal lato del mezzo con più alto indice di rifrazione viene in parte riflessa ed in parte rifratta. Al di sopra di un angolo di incidenza detto critico non viene rifratta alcuna luce attraverso l’interfaccia e si ha riflessione totale.
In corrispondenza della interfaccia tra i due mezzi, una componente del campo elettromagnetico della radiazione incidente, detta onda evanescente, si propaga fino ad una certa distanza nel mezzo con più basso indice di rifrazione. L’onda evanescente ha intensità che si attenua velocemente con andamento esponenziale.
L’immagine sotto mostra l’andamento dell’onda evanescente nel caso delle riflessioni totali all’interno di una fibra ottica.

Se la luce è monocromatica e polarizzata e, a contatto con l’interfaccia tra i due mezzi è presente un sottile strato metallico, l’onda evanescente interagisce con gli elettroni liberi del metallo generando una onda plasmonica sulla superficie dello strato metallico.

Gli elettroni sulla superficie del metallo sono mobili, vengono definiti come un liquido ad alta densità elettronica (plasma) e creano delle oscillazioni, che si propagano in direzione parallela all’’interfaccia metallo-dielettrico. Le onde di plasma che si propagano sono chiamate plasmoni superficiali.
Quando ad un particolare angolo, il vettore dell’onda della luce incidente si accoppia con il vettore degli elettroni che si muovono (plasmoni), si hanno le condizioni di risonanza. Questo accoppiamento della luce incidente con i plasmoni di superficie porta a una perdita di energia, in quanto l’energia dei fotoni viene trasmessa ai plasmoni.
Si osserva così un minimo nella intensità della radiazione riflessa in corrispondenza all’angolo per il quale si verifica la risonanza.

Per realizzare le condizioni che permettano il verificarsi del fenomeno si ricorre spesso ad un prisma sulla cui superficie viene applicato il sottile strato metallico di oro. L’immagine sotto mostra a sinistra (A) il caso in cui vi è riflessione totale senza risonanza, a destra (B) invece l’angolo di incidenza della radiazione veicola un momento che entra in risonanza con quello dell’onda plasmonica, trasferendo energia al plasmone e riducendo quindi l’intensità del fascio riflesso.

Il Prisma con lo strato di Oro

Reperire un prisma sul quale viene depositato uno film metallico è un problema. Una valida alternativa è utilizzare un vetrino sul quale è stato depositato il film metallico e posizionare il vetrino sulla faccia del prisma.
Il vetrino si può trovare facilmente, si tratta di un “SPR glass slide” (NanoSPR), le dimensioni sono 20×20 mm ed il film metallico, ottenuto tramite evaporazione, è composto da 5 nm di Cr e da 45 nm di Oro, per un totale di 50 nm.
50 nm corrispondono ad uno spessore veramente sottile : considerando che un atomo di oro ha un raggio di Van der Waals di 0,166 nm otteniamo che il film metallico ha uno spessore di soli 150 atomi !
Il vetrino è stato applicato alla superficie del prisma mediante grasso siliconico ottico in modo da assicurare il perfetto accoppiamento ottico, sui lati del vetrino sono state applicate alcune gocce di adesivo cianoacrilato per fissare il vetrino stesso.
Le immagini sotto mostrano il vetrino ed il prisma.

Setup Sperimentale

L’esperimento consiste nel far incidere un fascio emesso da un laser He-Ne (632,8 nm) sul prisma preparato con il vetrino con il film metallico e nel misurare l’intensità del fascio riflesso. La misura viene fatta in corrispondenza a diverse angolazioni. Per tutte queste angolazioni siamo nelle condizioni di riflessione totale.
L’immagine sotto schematizza il procedimento sperimentale. Ci aspettiamo che, in corrispondenza di una precisa angolazione, l’intensità del fascio riflesso presenti un minimo pronunciato : si tratta della prova che il fascio sta eccitando una onda plasmonica di superficie, la quale assorbe l’energia stessa del fascio.
A sua volta, l’onda plasmonica sulla superficie del film metallico, può andare incontro a scattering da parte dei difetti di superficie, col risultato di produrre una emissione luminosa verso l’esterno : in pratica uno spot luminoso sulla superficie stessa del film metallico (questo effetto lo si può vedere nella immagine di copertina del post).

L’immagine sotto mostra il nostro setup sperimentale, con il laser, il polarizzatore, il prisma posto su di una tavola rotante graduata ed il fotodiodo per la misura del fascio riflesso. Per la misura del fascio è stato utilizzato il fotometro descritto nel post : Fotometro basato su PSoC.

Nella immagine sotto viene mostrato il dettaglio “geometrico” con le posizioni relative del laser, del prisma e del detector. In particolare è importante tenere conto della rifrazione che avviene all’interno del prisma : l’angolo di incidenza del fascio che viene misurato è l’angolo “esterno”, mentre l’angolo interno è in realtà un po’ maggiore a causa della rifrazione.Dalla trigonometria si ricava si ricava l’equazione per calcolare l’angolo di incidenza interno conoscendo l’angolo esterno : 

Misure con Laser He-Ne a 633 nm

Le misure di riflettività al variare dell’angolo di incidenza sono state principalmente fatte con il laser He-Ne a 633 nm, questo perchè è la lunghezza d’onda giusta per dare luogo al fenomeno della SPR. E’ stato utilizzato il setup sperimentale descritto precedentemente : la rotazione della tavola porta-prisma ed il posizionamento del fotodiodo per la misura sono stati fatti manualmente.

Il grafico sotto mostra i risultati della misura. Sull’asse verticale sono riportati i valori ottenuti dal fotometro, mentre sull’asse orizzontale sono riportati gli angoli di incidenza : in rosso l’angolo esterno, in arancio l’angolo interno calcolato con la formula trigonometrica.

Risulta ben evidente il minimo della riflettività per un angolo interno di circa 46° : in questa posizione si verifica la risonanza e si produce l’onda plasmonica di superficie.

Misure con Diodo Laser a 532 nm

La stessa misura è stata fatta anche utilizzando un laser a semiconduttore con emissione a 532 nm, come mostrato nella immagine sotto.

A questa lunghezza d’onda l’effetto SPR è molto meno pronunciato, come si può vedere nel grafico sotto. Il minimo nella riflettività è appena misurabile e si colloca ad un angolo di circa 51°.

Conclusioni

Questa attività sperimentale ci ha permesso di esplorare e “toccare con mano” numerosi concetti fisici avanzati, ad esempio l’onda evanescente, la risonanza plasmonica di superficie, e le strutture a bassa dimensionalità come i film metallici sottili.
Concludiamo mettendo in evidenza che il fenomeno SPR si presta ad essere utilizzato per la realizzazione di precisi sensori : l’angolo e la lunghezza d’onda alla quale si verifica la risonanza dipendono infatti fortemente dall’ambiente esterno a contatto con il film metallico. Sfruttando il fenomeno SPR siamo quindi potenzialmente in grado di costruire sensori estremamente sensibili ad esempio per la rilevazione di molecole biologiche od organiche.

Riferimenti

[1] Laboratory experiments for exploring the surface plasmon resonance – Olivier Pluchery, Romain Vayron and Kha-Man Van – EUROPEAN JOURNAL OF PHYSICS

[2] BioNavis website

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