Las cavidades fotónicas son una parte esencial de muchos dispositivos ópticos modernos, desde punteros láser hasta hornos microondas. Así como podemos almacenar agua en un tanque y crear ondas estacionarias en la superficie del agua, podemos confinar la luz en un resonador fotónico cuyas paredes son fuertemente reflectantes. Así como las ondas de la superficie del agua dependen de la geometría del tanque (forma, profundidad), Se pueden crear modos ópticos específicos en una cavidad fotónica cuyas propiedades (color y distribución espacial de la intensidad) se pueden ajustar cambiando las dimensiones de la cavidad. Cuando el tamaño de la cavidad es muy pequeño, mucho menor que la longitud de onda de la luz que la confina (nanocavidad en el caso de la luz visible), se produce un efecto de intensificación de la luz que es tan fuerte que influye en los electrones. las paredes de la cavidad. Luego se produce una mezcla entre fotones y electrones, dando lugar a modos híbridos entre la luz y la materia conocidos como plasmones.

Los plasmones en nanocavidades ópticas son extremadamente importantes para muchas aplicaciones, como los sensores químicos que permiten la detección de moléculas individuales, o la fabricación de nanoláseres que pudieran funcionar sin apenas consumir corriente eléctrica. Sin embargo, la caracterización de estos modos plasmónicos es generalmente muy compleja, debido al diminuto tamaño de las cavidades que hace extremadamente difícil acceder a ellas por señales externas.

Por otra parte, el efecto túnel es uno de los más característicos, efectos misteriosos y mejor documentados de la Mecánica Cuántica. En un proceso de túnel, una partícula (por ejemplo, un electrón) puede atravesar una barrera estrecha (el espacio que separa dos metales a distancias nanométricas) a pesar de no tener suficiente energía para superarla. Es como si pudiéramos pasar de un lado a otro de la Gran Muralla China sin tener que saltar sobre ella.

Por increíble que parezca, las partículas del mundo cuántico pueden hacer esto bajo ciertas condiciones. En la mayoría de estos procesos, la energía de la partícula antes y después del proceso es la misma. Sin embargo, en una pequeña fracción de estos eventos, la partícula puede ceder parte de su energía, por ejemplo, generando luz, que se conoce como el proceso de túnel inelástico. Aunque es bien sabido que las propiedades de la luz emitida en el proceso de túnel inelástico entre dos metales dependen de los modos plasmónicos que existen en la cavidad, también depende en gran medida de la distribución de energía de las partículas que realizan el proceso de túnel.

Hasta ahora, Había sido imposible distinguir inequívocamente entre estos dos efectos y, por lo tanto, extraer la información sobre los modos plasmónicos del análisis de la luz emitida por el efecto túnel.

Investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid, IMDEA Nanociencia e IFIMAC han desarrollado un método para superar este problema determinando simultáneamente la distribución de energía de los electrones tunelizadores y la luz emitida en un microscopio de túnel de barrido. Han aprovechado el efecto túnel para crear resonadores ópticos de dimensiones atómicas y estudiar sus propiedades ópticas. desentrañando por primera vez las contribuciones debidas a la energía de las partículas tunelizadoras de los efectos originados por los modos plasmónicos en la cavidad.

Este trabajo propone una metodología novedosa para la caracterización de la interacción luz-materia a tamaño atómico, y puede tener importantes implicaciones tecnológicas para el desarrollo de sensores químicos de moléculas individuales, nuevas fuentes de fotones o nanoláseres simples o entrelazados que están activos a poderes de bombeo extremadamente bajos.

La investigación ha sido publicada en la prestigiosa revista Comunicaciones de la naturaleza .