磁控各向异性等离子体纳米粒子组装体的动态双折射与手性光学调控

研究人员针对各向异性等离子体纳米粒子(plasmonic nanoparticles)的取向控制难题，开发了金核-氧化铁壳结构磁控等离子体纳米粒子(MPs)，通过超顺磁性氧化铁壳实现纳米粒子的快速可逆磁取向调控。该研究实现了线性排列MPs的等离子体介导双折射显色（最高g因子达0.21），为动态光学器件和信息存储提供了新策略。

　　

在纳米光子学领域，各向异性金属纳米粒子的取向控制是调控其光学性能的关键。金纳米棒(AuNR)等材料因具有方向依赖的局域表面等离子体共振(LSPR)特性而备受关注，但现有取向调控技术存在响应速度慢、不可逆或适用范围有限等问题。如何实现纳米粒子的动态、可逆且精准的光学性能调控，成为该领域亟待突破的瓶颈。

韩国基础科学研究院的研究团队在《Nature Communications》发表创新成果，通过设计金核-氧化铁壳复合结构，开发出具有超顺磁性的磁控等离子体纳米粒子(MPs)。这种结构利用氧化铁壳的磁响应特性实现纳米粒子取向的实时调控，同时保留金核的等离子体特性。研究发现线性排列的MPs阵列能产生显著的等离子体介导双折射效应，而螺旋排列结构则表现出高达12°的圆二色性(CD)信号，其g因子达到0.21，创下溶液相非手性纳米粒子组装的记录。

研究采用三项关键技术：1）通过种子介导生长法制备不同长径比（1.9-3.4）的金纳米棒核心；2）采用铂催化氧化还原反应在AuNR表面构建均匀的FeOOH壳层（厚度14±1nm），再通过高温还原获得超顺磁性FexOy壳；3）利用有限时域差分法(FDTD)模拟验证实验观测的光学响应。

合成与表征MPs

通过精确控制AuNR与铁前驱体的比例，成功制备出具有14nm均匀FeOOH壳层的核壳结构。TEM显示高温还原后形成多孔FexOy中间层，XRD证实其由Fe₃O₄和γ-Fe₂O₃组成。磁化测量验证了超顺磁性，DLS证实水分散体系的稳定性。

线性排列MPs的光学特性

在外加磁场下，MPs沿磁场方向排列，通过偏振光选择性激发横向LSPR（520nm）或纵向LSPR（730nm）。FDTD模拟与实验结果高度吻合，长径比从1.9增至3.4时，L-LSPR红移显著而T-LSPR基本不变。

线性排列MPs的双折射特性

交叉偏振设置（θ₁=45°/θ₂=135°）下观察到明亮的橙色透射光，源于正交偏振分量经LSPR激发产生的π相位差。旋转输出偏振角θ₂可获得从蓝色到粉色的连续色彩调控，这种等离子体介导的双折射效应为动态显色器件提供了新思路。

螺旋排列MPs的外在手性

通过45°交叉磁铁构型产生左/右手螺旋磁场，诱导MPs形成相应螺旋超结构。CD测试显示最高12°的信号强度和0.21的g因子，远超各向同性金纳米球组装体（低两个数量级），证实形状各向异性对增强手性光学响应的重要性。

该研究建立的合成方法具有普适性，可拓展至金纳米双锥体(AuNBP)和纳米三角形(AuNT)等多种各向异性纳米粒子。磁控等离子体组装体展现的动态光学调控能力，在智能显示、信息加密和手性传感等领域具有重要应用前景。特别是其创纪录的g因子和毫秒级响应速度，为开发新型光子学器件提供了材料基础。研究通过精确控制纳米尺度磁-光耦合效应，为动态可调谐超材料设计开辟了新途径。