En Física de la Naturaleza , el LSU Quantum Photonics Group ofrece nuevos conocimientos sobre los rasgos fundamentales de los plasmones de superficie, desafiando la comprensión existente. Basados en investigaciones experimentales y teóricas realizadas en el laboratorio del profesor asociado Omar Magaña-Loaiza, estos novedosos hallazgos marcan un avance significativo en la plasmónica cuántica, posiblemente el más notable de la última década.
Si bien investigaciones anteriores en este campo se han centrado predominantemente en los comportamientos colectivos de los sistemas plasmónicos, el grupo de LSU adoptó un enfoque distinto. Al considerar las ondas plasmónicas como un rompecabezas, pudieron aislar subsistemas de múltiples partículas o romper el rompecabezas en pedazos. Esto permitió al equipo ver cómo funcionan juntas las diferentes piezas y reveló una imagen diferente o, en este caso, nuevos comportamientos de los plasmones de superficie.
Los plasmones son ondas que se mueven a lo largo de la superficie de los metales cuando la luz se acopla a oscilaciones de carga. Al igual que arrojar piedras al agua genera ondas, los plasmones son "ondas" que viajan a lo largo de superficies metálicas. Estas ondas diminutas operan a escala nanométrica, lo que las hace cruciales en campos como la nanotecnología y la óptica.
"Lo que encontramos es que si observamos los subsistemas cuánticos de ondas plasmónicas, podemos ver patrones inversos, patrones más nítidos e interferencias opuestas, lo cual es completamente opuesto al comportamiento clásico", explicó Riley Dawkins, estudiante de posgrado y co- primer autor del estudio, quien dirigió la investigación teórica.
Utilizando luz dirigida a una nanoestructura de oro y observando el comportamiento de la luz dispersada, el grupo cuántico de LSU observó que los plasmones de superficie pueden exhibir características tanto de bosones como de fermiones, que son partículas fundamentales en la física cuántica. Esto significa que los subsistemas cuánticos pueden exhibir comportamientos no clásicos, como moverse en diferentes direcciones, dependiendo de condiciones específicas.
"Imagínese que está andando en bicicleta. Creería que la mayoría de sus átomos se mueven en la misma dirección que la bicicleta. Y eso es cierto para la mayoría de ellos. Pero, de hecho, hay algunos átomos que se mueven en la dirección opuesta". explicó Magaña-Loaiza.
"Una de las consecuencias de estos resultados es que al comprender estas propiedades fundamentales de las ondas plasmónicas y, lo más importante, este nuevo comportamiento, se pueden desarrollar tecnologías cuánticas más sensibles y robustas".
En 2007, el uso de ondas plasmónicas para la detección de ántrax impulsó la investigación sobre el empleo de principios cuánticos para mejorar la tecnología de sensores.
Actualmente, los investigadores se esfuerzan por integrar estos principios en sistemas plasmónicos para crear sensores con mayor sensibilidad y precisión. Este avance es muy prometedor en diversos campos, incluidos el diagnóstico médico, las simulaciones de desarrollo de fármacos, la monitorización ambiental y la ciencia de la información cuántica.
El estudio está preparado para tener un impacto significativo en el campo de la plasmónica cuántica, ya que investigadores de todo el mundo aprovecharán los hallazgos para simulaciones cuánticas. Chenglong You, profesor asistente de investigación y autor correspondiente, dijo:"Nuestros hallazgos no sólo revelan este nuevo e interesante comportamiento en los sistemas cuánticos, sino que también es el sistema plasmónico cuántico con el mayor número de partículas jamás visto, y eso por sí solo eleva la física cuántica a la cima". otro nivel."
El estudiante de posgrado y coautor Mingyuan Hong dirigió la fase experimental del estudio. A pesar de las complejidades de los sistemas plasmónicos cuánticos, Hong señaló que sus principales desafíos durante los experimentos fueron las perturbaciones externas.
"Las vibraciones de diversas fuentes, como la construcción de carreteras, plantearon un desafío importante debido a la extrema sensibilidad de la muestra plásmica. Sin embargo, finalmente logramos extraer propiedades cuánticas de las ondas plasmónicas, un avance que mejora las tecnologías cuánticas sensibles. Este logro podría abre nuevas posibilidades para futuras simulaciones cuánticas."
Titulada "Dinámica de campo cercano no clásica de plasmones de superficie", la investigación se realizó íntegramente en LSU. "Todos los autores de este estudio están afiliados a LSU Physics &Astronomy. Incluso tenemos un coautor que era un estudiante de secundaria en ese momento, lo cual estoy muy orgulloso", dijo Magaña-Loaiza. Esta nueva investigación está precedida por trabajos anteriores de LSU.
Más información: Mingyuan Hong et al, Dinámica no clásica de campo cercano de plasmones de superficie, Física de la naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02426-y
Información de la revista: Física de la Naturaleza
Proporcionado por la Universidad Estatal de Luisiana
