En dispositivos plasmónicos típicos, las ondas electromagnéticas se amontonan en diminutas estructuras metálicas, concentrando energía en dimensiones a nanoescala. Debido al acoplamiento de la electrónica y la fotónica en estas nanoestructuras metálicas, Los dispositivos plasmónicos podrían aprovecharse para la transmisión de datos de alta velocidad o para matrices de detectores ultrarrápidos. Sin embargo, estudiar campos plasmónicos en dispositivos a nanoescala presenta un verdadero obstáculo para los científicos, ya que el examen de estas estructuras altera inherentemente su comportamiento.

"Ya sea que utilice un láser o una bombilla, la longitud de onda de la luz es todavía demasiado grande para estudiar campos plasmónicos en nanoestructuras. Además, la mayoría de las herramientas utilizadas para estudiar los campos plasmónicos alterarán la distribución del campo, el mismo comportamiento que esperamos comprender, "Dice Jim Schuck, un científico del personal del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) que trabaja en la Instalación de Imágenes y Manipulación de Nanoestructuras en Molecular Foundry.

La microscopía óptica juega un papel fundamental en el repertorio de un científico:la técnica es fácil de usar y no daña un circuito electrónico cuidadosamente elaborado o una muestra biológica delicada. Sin embargo, un objeto de interés típico a nanoescala, como una hebra de ADN o un punto cuántico, está muy por debajo de la longitud de onda de la luz visible en tamaño, lo que significa que se pierde la capacidad de distinguir uno de esos objetos de otro cuando están poco espaciados. Los científicos ahora están desafiando este límite utilizando técnicas de "localización", que cuentan el número de fotones que emanan de un objeto para ayudar a determinar su posición.

En trabajos anteriores, Schuck y colegas de Molecular Foundry, a Centros de investigación científica a nanoescala del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), dispositivos plasmónicos en forma de pajarita diseñados para capturar, filtrar y dirigir la luz a nanoescala. Estos dispositivos clasificadores de nano colores servían como antenas para enfocar y clasificar la luz en espacios diminutos según un conjunto deseado de colores o energías, algo crucial para los filtros y otros detectores.

En este último avance, Schuck y su equipo de Berkeley Lab utilizaron su innovador concepto de imágenes para visualizar campos plasmónicos de estos dispositivos con resolución a nanoescala. Al obtener imágenes de fluorescencia del oro dentro de la pajarita y maximizar la cantidad de fotones recolectados de sus dispositivos de pajarita, el equipo pudo obtener la posición de los modos plasmónicos, oscilaciones de carga que resultan en resonancia óptica, con solo unos pocos nanómetros de distancia.

“Nos preguntamos si había una forma de usar la luz que ya estaba presente en nuestras pajaritas (fotones localizados) para sondear estos campos y servir como reportero, ”Dice Schuck. “Nuestra técnica también es sensible a las imperfecciones del sistema, como pequeños defectos estructurales o efectos de tamaño, sugiriendo que podríamos usar esta técnica para medir el rendimiento de los dispositivos plasmónicos en entornos de investigación y desarrollo ".

Paralelamente a los hallazgos experimentales de Schuck, Jeff Neaton, Director de la Instalación de Teoría de Materiales Nanoestructurados de la Fundición Molecular y Alex McLeod, un estudiante de pregrado que trabaja en la fundición, desarrolló un conjunto de herramientas basado en la web, diseñado para calcular imágenes de dispositivos plasmónicos con software de código abierto desarrollado en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. Para este estudio, los investigadores simularon el ajuste de la estructura de una antena de doble pajarita en unos pocos nanómetros para estudiar cómo el cambio de tamaño y simetría de una antena plasmónica afecta sus propiedades ópticas.

"Al cambiar su estructura unos pocos nanómetros, podemos enfocar la luz en diferentes posiciones dentro de la pajarita con notable certeza y previsibilidad, ”Dijo McLeod. “Este trabajo demuestra que estas antenas ópticas a nanoescala resuenan con la luz tal como predicen nuestras simulaciones”.

Útil para investigadores que estudian estructuras plasmónicas y fotónicas, este kit de herramientas estará disponible para su descarga en nanoHUB, un recurso computacional para nanociencia y tecnología creado a través de la Red de Nanotecnología Computacional de la Fundación Nacional de Ciencias.

“Este trabajo realmente ejemplifica lo mejor de lo que se trata la Fundición Molecular, "Dijo Neaton, quien también es subdirector interino de la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab. “Tres instalaciones de fundición independientes:imágenes, Nanofabrication and Theory:colaboró ​​en un avance significativo en nuestra comprensión de cómo se puede localizar la luz visible, manipulado y fotografiado a nanoescala ".

Un artículo que informa sobre esta investigación titulado, “Visualización no perturbativa de distribuciones de campo plasmónico a nanoescala mediante microscopía de localización de fotones, "Aparece en Cartas de revisión física y está disponible para suscriptores en línea. Coautor del artículo con Schuck, McLeod y Neaton eran Alexander Weber-Bargioni, Zhaoyu Zhang, Scott Dhuey, Bruce Harteneck y Stefano Cabrini.

Partes de este trabajo en Molecular Foundry fueron financiadas por la Oficina de Ciencias del DOE. La Fundación Nacional de Ciencias también brindó apoyo para este trabajo a través de la Red de Nanotecnología Computacional.