Los investigadores de ETH Zurich han desarrollado un dispositivo en miniatura capaz de producir rayos láser de un tipo particular de onda electromagnética llamada plasmón de superficie. Los plasmones de superficie se pueden enfocar con mucha más fuerza que las ondas de luz, haciéndolos útiles para aplicaciones como la detección.

Cuando la luz está confinada entre dos espejos parcialmente reflectantes y amplificada por algún material entre ellos, el rayo resultante puede ser extremadamente brillante y de un solo color. Este es el principio de funcionamiento del láser, una herramienta que se utiliza en todos los ámbitos de la vida moderna, desde el reproductor de DVD hasta el quirófano.

Investigadores de ETH Zurich dirigidos por David Norris, profesor del Laboratorio de Ingeniería de Materiales Ópticos, y el Prof. Dimos Poulikakos, profesor del Laboratorio de Termodinámica en Tecnologías Emergentes, han desarrollado un dispositivo en miniatura que aplica el mismo principio a los llamados plasmones de superficie. Las ondas electromagnéticas creadas por tal láser de plasmón de superficie, o "spaser", se puede enfocar mucho más de cerca que la luz, lo que los hace interesantes tanto para la investigación fundamental como para aplicaciones técnicas como la detección.

Una pequeña cavidad para plasmones superficiales.

En contraste con las ondas de luz ordinarias, que se propagan libremente dentro de un material transparente, Los plasmones de superficie consisten en ondas electromagnéticas que están estrechamente unidas a ondas en la distribución de electrones en la superficie de un metal. Se pueden admirar los efectos ópticos de los plasmones superficiales, por ejemplo, en las vidrieras de las catedrales medievales. Allí, los plasmones generados en nanopartículas metálicas dentro del vidrio por la luz entrante dan a las ventanas sus peculiares y vibrantes colores.

El equipo de ETH ha creado ahora el equivalente a una cavidad láser para plasmones superficiales mediante la ingeniería de superficies plateadas extremadamente lisas. encima de los cuales dos bloques plateados ligeramente curvados, unos pocos micrómetros de longitud y solo medio micrómetro de altura, están situados. Estos microbloques actúan como el equivalente a los espejos de un láser. Entre los bloques, los plasmones superficiales pueden rebotar varias veces. Finalmente, la amplificación necesaria para obtener un rayo espaciador es proporcionada por puntos cuánticos que se colocan dentro de la cavidad. Los puntos cuánticos son pequeñas partículas semiconductoras que se comportan de manera similar a los átomos individuales (a veces se les llama "átomos artificiales") y se pueden producir para amplificar ondas electromagnéticas a una frecuencia deseada.

Los investigadores inyectaron los puntos cuánticos en la cavidad del espaciador disolviéndolos en un líquido que luego se imprimió con precisión nanométrica en la superficie plateada a través de una pequeña boquilla. utilizando una técnica desarrollada en el laboratorio de Poulikakos. Una vez que la cavidad y los puntos cuánticos estuvieron en su lugar, Los plasmones de superficie podrían inyectarse en el espaciador haciendo brillar luz láser sobre los puntos cuánticos.

Es posible una mayor amplificación

En nuestro trabajo hemos intentado integrar los elementos básicos de un spaser en un único dispositivo pequeño ”, explica Jian Cui, investigador postdoctoral senior en el grupo de Norris y autor del estudio publicado recientemente en la revista científica Avances de la ciencia . Además de la cavidad del spaser y el material de ganancia, los investigadores también incluyeron un amplificador que usa puntos cuánticos para aumentar aún más el brillo del haz de plasmón superficial una vez que sale de la cavidad.

El amplificador tiene forma triangular, de tal manera que los plasmones no solo se amplifican, pero también enfocado en una punta del tamaño de un nanómetro. Allí, las ondas electromagnéticas se concentran en un volumen que es mucho más pequeño que el tamaño más pequeño al que podría enfocarse la luz ordinaria. Esta función podría usarse en el futuro, por ejemplo, para la detección altamente sensible de moléculas biológicas.

Hacia circuitos integrados con spasers

Ahora que han demostrado que su spaser en miniatura funciona, los investigadores de ETH ya están trabajando en el siguiente paso lógico. "Nuestros métodos de fabricación son muy reproducibles y versátiles, por lo que ahora podemos pensar en la creación de circuitos integrados con múltiples elementos:spasers, amplificadores, regiones de detección, Etcétera", dice el profesor Norris.

El nuevo enfoque tiene varias ventajas en comparación con los intentos anteriores de realizar spasers. Las técnicas anteriores utilizaban una partícula metálica como cavidad, que no permitió la extracción del rayo spaser. El procedimiento desarrollado en ETH utiliza una película plana con espejos integrados, lo que da a los investigadores más libertad de elección con respecto al tamaño y la geometría de la cavidad, al mismo tiempo que les permite estudiar los plasmones de superficie directamente.