(PhysOrg.com) - En un nuevo estudio, Los científicos han demostrado que simplemente adaptar los parámetros geométricos a nanoescala de las estructuras dieléctricas puede resultar en un aumento en la intensidad de la luz a niveles sin precedentes. Teóricamente calculan que la intensidad de la luz podría aumentarse hasta 100, 000 veces mayor que la intensidad del incidente en grandes volúmenes. Esta gran mejora de la luz podría conducir a nuevos desarrollos en aplicaciones de biosensores y conmutación totalmente ópticas.
Los investigadores, Rebecca Sainidou del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), Jan Renger del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), y coautores de varios institutos de España, han publicado su estudio sobre el nuevo método para mejorar la luz dieléctrica en una edición reciente de Nano letras .
Como explican los científicos, Uno de los mayores problemas de los dispositivos nanofotónicos hechos de metal es que los metales de estos dispositivos absorben algo de luz, limitando la intensidad de la luz general. Aquí, los investigadores propusieron utilizar estructuras dieléctricas en lugar de metálicas, y describió tres disposiciones diferentes para lograr una gran mejora de la luz:guías de ondas dieléctricas, matrices de partículas dieléctricas, y un híbrido de estas dos estructuras. En cada uno de los tres arreglos propuestos, los investigadores muestran que, suprimiendo las pérdidas por absorción, La energía luminosa se puede acumular en cavidades resonantes para crear campos ópticos extremadamente intensos.
"Las estructuras metálicas pueden producir un nivel similar de mejora a través de la excitación de plasmones localizada, pero solo en volúmenes limitados extendidos unos pocos nanómetros de diámetro, ”Dijo el coautor Javier García de Abajo del CSIC PhysOrg.com . "En contraste, nuestro trabajo implica una gran mejora sobre grandes volúmenes, haciendo así un uso óptimo de la energía luminosa suministrada para aplicaciones de biosensores extendidas y ópticas no lineales. En estructuras metálicas, la absorción puede ser un problema debido al daño potencial del material y porque reduce la energía óptica disponible en la región de mejora. Este tipo de problema está ausente en nuestras estructuras dieléctricas.
"Uno podría obtener una gran mejora de la intensidad de la luz simplemente acumulándola de muchas fuentes (por ejemplo, colocando los extremos de muchas fibras ópticas cerca de un punto común en el espacio, o recolectando luz proveniente de muchos espejos a gran escala). Pero esto suena como un desperdicio de mucha energía óptica solo para tener un efecto de mejora en una pequeña región del espacio. Sin embargo, esto es esencialmente lo que hacen las estructuras metálicas para concentrar la luz en los denominados puntos calientes ópticos utilizando plasmones. A diferencia de, Nuestras estructuras no concentran la luz en espacios minúsculos:la amplifican en grandes volúmenes, y esto tiene aplicaciones importantes. Esta amplificación se realiza mediante el uso de ondas ópticas evanescentes y amplificadoras, que no transportan energía, pero puede acumularlo ".
Aunque teóricamente no existe un límite superior para la mejora de la intensidad que pueden lograr estas estructuras, Las imperfecciones de fabricación limitan la mejora a aproximadamente 100, 000 veces la intensidad de la luz incidente. En una demostración de prueba de principio de la disposición de la guía de ondas dieléctrica, los investigadores mostraron una mejora en la intensidad de la luz de un factor de 100. Los investigadores predicen que esta mejora moderada debería mejorarse fácilmente reduciendo la rugosidad de la interfaz mediante una fabricación más cuidadosa, y actualmente están trabajando en experimentos para demostrar una mejora de la luz más grande.
Como explican los investigadores, parte del "santo grial" del diseño de nanodispositivos para aplicaciones ópticas es la capacidad de controlar la mejora de la luz, así como confinamiento de luz y guiado de luz por sublongitud de onda. Al demostrar la posibilidad de lograr una intensidad de luz extremadamente grande en grandes volúmenes, los investigadores han abierto nuevas posibilidades en muchas aplicaciones nanofotónicas. Por ejemplo, Los componentes nanofotónicos ya se han utilizado para producir magnetismo artificial, refracción negativa, encubierto, y para biodetección.
“Ciertas moléculas se producen en nuestro cuerpo preferentemente cuando sufrimos algunas enfermedades (p. Ej., tumores, infecciones etc.), ”Dijo García de Abajo. “La detección de estas moléculas a veces puede ser una tarea difícil, porque rara vez se encuentran en concentraciones mínimas. Una forma práctica de detectar estas moléculas, y así desvelar la potencial enfermedad a la que están asociados, es iluminándolos y viendo cómo dispersan o absorben la luz (por ejemplo, cómo la luz de diferentes colores es absorbida por estas moléculas o cómo cambian el color de la luz). Por lo tanto, es importante amplificar la señal óptica que producen estas moléculas, para que podamos tener acceso a ellos incluso si están en concentraciones muy bajas. Nuestras estructuras hacen precisamente eso:amplifican la luz en grandes volúmenes, de modo que si las moléculas a detectar se colocan dentro de esos volúmenes, producirán más fácilmente la señal óptica anotada (absorción, cambio de color, etc.). Por tanto, esta es una forma práctica de detectar enfermedades como el cáncer.
"En una dirección diferente, La amplificación de luz es útil para producir una respuesta no lineal a la luz externa. y esto se puede aplicar directamente al proceso de información codificada como señales ópticas. Este es un objetivo ambicioso que se necesita para fabricar computadoras ópticas. Estas computadoras aún están lejos de ser accesibles, pero se espera que produzcan un tremendo aumento en la velocidad de computación y comunicación. Nuestras estructuras proporcionan una forma innovadora de utilizar la luz en los dispositivos para el procesamiento de la información ”.
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