Las nanoestructuras son el santo grial de los nuevos materiales. El grafeno material maravilloso, por ejemplo, es una sola capa de átomos de carbono dispuestos en un patrón hexagonal que, por su conductividad, flexibilidad, transparencia y fuerza, tiene el potencial de crear células solares más eficientes, circuitos eléctricos y microchips más pequeños y rápidos, pantallas transparentes, y baterías y condensadores de alta densidad.

Según Xiaoji Xu, profesor asistente en el Departamento de Química de la Universidad de Lehigh, otra cualidad que hace que los nanomateriales como el grafeno sean tan especiales es su capacidad para generar un fenómeno físico llamado polaritón.

Los polaritones son cuasipartículas que resultan de un fuerte acoplamiento de ondas electromagnéticas con una excitación portadora de dipolos eléctricos o magnéticos, a lo que algunos se refieren como un acoplamiento de luz-materia. Los polaritones hacen posible que las nanoestructuras confinen y compriman la luz alrededor del material.

La capacidad de comprimir la luz es clave para reducir la escala de los dispositivos para futuras comunicaciones ópticas y computación. También podría conducir a la detección a una escala inferior a un nanómetro, importante para lograr avances biomédicos en la detección de enfermedades, prevención y tratamiento.

El desafío para las personas que estudian estos materiales, dice Xu, es cómo revelar (y caracterizar) los polaritones a nanoescala porque ningún microscopio convencional puede hacer eso.

Ahora Xu y su equipo han encontrado una manera de revelar la forma tridimensional de la interacción del polaritón alrededor de una nanoestructura. Su técnica mejora la técnica común de imágenes espectroscópicas conocida como microscopía óptica de campo cercano de barrido de tipo dispersión (s-SNOM). El método del equipo, llamado microscopía óptica de campo cercano de escaneo de tipo dispersión de fuerza máxima (PF-SNOM), funciona a través de una combinación de modo de golpeteo de fuerza máxima y detección de luz controlada por tiempo. Los investigadores han detallado su trabajo en un artículo titulado:"Microscopía óptica tomográfica y multimodal de escaneo de campo cercano de tipo dispersión con modo de tapping de fuerza máxima", publicado en línea el 21 de mayo de 2018 en Comunicaciones de la naturaleza . Además de Xu, Los coautores del artículo incluyen a Haomin Wang, Le Wang y Devon S. Jakob, Doctor. estudiantes en el laboratorio de Xu.

En el papel, los autores afirman:"PF-SNOM permite la sección directa de señales verticales de campo cercano de una superficie de muestra para imágenes tridimensionales de campo cercano y análisis espectroscópico. La relajación inducida por la punta de los polaritones de fonones de la superficie se revela y modela considerando la amortiguación de la punta . "

Según los investigadores, PF-SNOM también ofrece una resolución espacial mejorada de cinco nanómetros, en lugar de los típicos diez nanómetros que ofrece el s-SNOM tradicional.

"Nuestra técnica podría ser beneficiosa para los científicos que estudian nanoestructuras, permitiéndoles comprender mejor cómo se distribuye el campo eléctrico alrededor de una nanoestructura determinada". "dice Xu.

Su método de caracterización PF-SNOM no solo es más directo que las técnicas existentes, también puede obtener simultáneamente el polaritónico, información mecánica y eléctrica.

Con una medida, explica Xu, se pueden obtener múltiples modos de información, una ventaja única.

El desarrollo de PF-SNOM surgió del estudio del equipo del modo gap, cuando dos estructuras plasmónicas se acercan en unos pocos nanómetros, hay una gran mejora de la intensidad del plasmón en el espacio entre las dos estructuras a medida que la energía se transfiere de una estructura a la otra. Con su capacidad para reducir esta respuesta de modo de brecha en simulaciones, los investigadores decidieron intentar extenderlo al modo sin brecha, al aumentar la distancia entre la punta de la sonda de microscopía de fuerza atómica (AFM) y la muestra.

"Con una punta AFM, medimos la luz dispersa en función de la distancia punta-muestra, "explica Wang, un doctorado estudiante en el laboratorio de Xu y coautor del artículo. "Luego recopilamos información a diferentes distancias punta-muestra y combinamos toda esta información en capas para obtener la imagen tomográfica y revelar la estructura del polaritón 3-D".

Curiosamente, cuando el equipo comenzó sus experimentos, esperaban un resultado diferente. Sin embargo, durante las simulaciones, observaron una forma especial de dispersión de la luz y vieron que había una mejora obvia en el modo de separación.

“Resultó que podíamos seccionar la luz en diferentes distancias de muestras de punta y usar esas señales para ver la respuesta de campo cercano en diferentes capas y en direcciones verticales, "dice Wang.

Agrega:"Aunque este trabajo se realizó con infrarrojos, en principio también podría extenderse a otras frecuencias, como visible y terahercios ".