长期以来，工匠们一直惊叹于散落在彩色玻璃杰作中的金纳米颗粒产生的鲜艳红色。但是，这种光学奇迹的量子起源一直笼罩在神秘之中，直到纳米工程和显微镜的现代进步揭示了等离子体共振的复杂性。现在，研究人员准备将以前用于艺术的纳米等离子体技术推向新兴的光子、传感和放大应用。
由于制造金属纳米颗粒并精确控制玻璃本身的尺寸、浓度和分散度的持久挑战，对这些独特等离子体特性的研究放缓。早期的制造技术在应用于亚碲酸盐玻璃时被证明是不可靠的，否则亚碲酸盐玻璃具有集成纳米光子器件的理想品质。
然而，由于在有前途的宿主介质中精确控制制造金属纳米颗粒的挑战，进展停滞不前。虽然具有集成光学器件的卓越品质，但可靠地结合定制的金属纳米结构来挖掘等离子体潜力已被证明是碲酸盐研究人员面临的一项持久挑战。
碲酸盐玻璃已成为集成光子器件的一种非常有前途的主体介质。它具有独特的属性，包括跨越一半太阳光谱的宽红外透明度、高溶解度、可实现强烈的稀土发光以及相对较低的加工温度。亚碲酸盐玻璃具有适度的声子能量，对辐射跃迁的干扰最小，从而实现有效的光发射和放大。此外，亚碲酸盐玻璃表现出非凡的抗结晶稳定性。
这些综合特性使亚碲酸盐玻璃成为开发有源和无源光子元件的理想平台，从放大器和颜色转换器到平面波导和激光器。具体来说，它的光学优点提供了在通用材料系统中引导光和利用稀土元素发光跃迁的能力。
然而，实现亚碲酸盐的许多引人注目的应用在很大程度上取决于引入和控制纳米级金属特征，以通过等离子体操纵光传播。尽管引起了巨大的兴趣，但可靠地结合定制的金属纳米结构来激活亚碲酸盐玻璃中的等离子体效应仍然是一个持久的技术障碍，阻碍了进展。
通过开发系统地设计金纳米颗粒的技术，在亚碲酸盐玻璃内提供可调的等离子体响应，澳大利亚和德国合作的最新研究现在为利用和探索这种特殊宿主介质中的等离子体增强光学效应铺平了道路。解锁对这些纳米级等离子体实体的控制，为推进包含亚碲酸盐材料的光子器件开辟了可能性。
这些材料科学家开发了新技术来系统地制造金纳米颗粒，在亚碲酸盐玻璃基质中提供可调的等离子体共振带。他们的研究为有意识地设计纳米颗粒特性以进一步进行光子学和传感研究提供了路线图。
在发布在《光：科学与应用》上的一项研究中，研究人员将玻璃熔化过程中金坩埚的受控腐蚀与干燥玻璃粉的专门再加热相结合。可靠的两步法工艺能够精确控制在碲酸盐玻璃内形成的金纳米颗粒的大小、浓度和分散性。
该团队首先展示了适用于硅酸盐玻璃的现有方法，当应用于亚碲酸盐时，这些方法很挣扎。在熔化前用金盐掺杂原始玻璃混合物会导致不可预测的纳米颗粒形成。研究人员通过故意腐蚀装有熔融玻璃的金坩埚，证明了显着更高和一致的掺杂水平。沿着熔融坩埚界面的氧化反应不断将金离子引入混合物中。
但是，简单地将金离子溶解到亚碲酸盐玻璃熔体中并不能自动产生具有一致等离子体特征的纳米颗粒。研究人员发现，将凝固的玻璃研磨成细粉，然后小心地重新加热，可靠地触发了金纳米颗粒成核所需的金离子还原反应。重新加热散装玻璃无法产生这种效果。
通过调整金坩埚内的玻璃熔体温度和持续时间，科学家们将金离子浓度控制在百万分之6至75 ppm之间。通过调整粉末再加热的温度和时间，可以可靠地形成30至90纳米的金纳米颗粒，其数量密度可调超过两个数量级。
系统地改变纳米颗粒大小、浓度和分散的能力使得等离子体共振特征的刻意工程成为可能。这为彻底研究通过与分布在亚碲酸盐玻璃体积内的定制等离子体金纳米颗粒耦合来增强稀土发光提供了机会。
通过解决围绕可靠制造提供可调等离子体响应的金纳米颗粒的持久挑战，研究人员为探索亚碲酸盐玻璃中的等离子体效应打开了大门。他们的技术克服了阻碍此类研究的先前障碍，实现了对纳米颗粒特性的刻意控制。
这些结果可能会影响未来基于亚碲酸盐的放大器、激光器、偏振器和传感器。但更根本的是，系统地制造设计纳米粒子可能会进一步揭示由等离子体共振控制的光-物质相互作用的复杂细节——照亮跨越微观粒子和宏观光波机制之间过渡的量子效应。
