Con su promesa de computadoras ultrarrápidas y microscopios ópticos ultrapotentes entre las muchas posibilidades, La plasmónica se ha convertido en uno de los campos más candentes de la alta tecnología. Sin embargo, hasta la fecha, las propiedades plasmónicas se han limitado a nanoestructuras que presentan interfaces entre metales nobles y dieléctricos. Ahora, Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han demostrado que las propiedades plasmónicas también se pueden lograr en los nanocristales semiconductores conocidos como puntos cuánticos. Este descubrimiento debería hacer que el campo de la plasmónica sea aún más caliente.

"Hemos demostrado resonancias de plasmones superficiales localizadas bien definidas que surgen de portadores de tipo p en puntos cuánticos de semiconductores dopados por vacantes que deberían permitir la detección plasmónica y la manipulación de procesos de estado sólido en nanocristales individuales". "dice el director de Berkeley Lab, Paul Alivisatos, una autoridad en nanoquímica que dirigió esta investigación. "Nuestros puntos cuánticos de semiconductores dopados también abren la posibilidad de acoplar fuertemente propiedades fotónicas y electrónicas, con implicaciones para la recolección de luz, óptica no lineal, y procesamiento de información cuántica ".

Alivisatos es el autor correspondiente de un artículo en la revista. Materiales de la naturaleza titulado "Resonancias localizadas de plasmones superficiales que surgen de portadores libres en puntos cuánticos dopados". Los coautores del artículo fueron Joseph Luther y Prashant Jain, junto con Trevor Ewers.

El término "plasmónicos" describe un fenómeno en el que el confinamiento de la luz en dimensiones más pequeñas que la longitud de onda de los fotones en el espacio libre permite hacer coincidir las diferentes escalas de longitud asociadas con la fotónica y la electrónica en un solo dispositivo a nanoescala. Los científicos creen que a través de los plasmónicos debería ser posible diseñar interconexiones de chips de computadora que sean capaces de mover cantidades mucho mayores de datos mucho más rápido que los chips actuales. También debería ser posible crear lentes de microscopio que puedan resolver objetos a nanoescala con luz visible, una nueva generación de diodos emisores de luz de alta eficiencia, y detectores químicos y biológicos supersensibles. Incluso hay evidencia de que los materiales plasmónicos se pueden usar para doblar la luz alrededor de un objeto, haciendo así ese objeto invisible.

El fenómeno plasmónico se descubrió en nanoestructuras en las interfaces entre un metal noble, como el oro o la plata, y un dieléctrico, como aire o vidrio. Dirigir un campo electromagnético a tal interfaz genera ondas superficiales electrónicas que ruedan a través de los electrones de conducción en un metal, como ondas que se extienden por la superficie de un estanque al que se ha hundido una piedra. Así como la energía en un campo electromagnético se transporta en una unidad cuantificada similar a una partícula llamada fotón, la energía en una onda superficial electrónica de este tipo se transporta en una unidad cuantificada similar a una partícula llamada plasmón. La clave de las propiedades plasmónicas es cuando la frecuencia de oscilación entre los plasmones y los fotones incidentes coincide, un fenómeno conocido como resonancia de plasmón superficial localizado (LSPR). La sabiduría científica convencional ha sostenido que los LSPR requieren una nanoestructura metálica, donde los electrones de conducción no están fuertemente unidos a átomos o moléculas individuales. Este ha demostrado no ser el caso como Prashant Jain, miembro del grupo de investigación Alivisatos y uno de los autores principales del artículo de Nature Materials, explica.

"Nuestro estudio representa un cambio de paradigma de los nanoplásmicos metálicos, ya que hemos demostrado que, en principio, cualquier nanoestructura puede exhibir LSPR siempre que la interfaz tenga un número apreciable de portadores de carga gratuita, ya sean electrones o huecos, "Dice Jain." Al demostrar LSPR en puntos cuánticos dopados, Hemos ampliado la gama de materiales candidatos para plasmónicos para incluir semiconductores, y también fusionamos el campo de las nanoestructuras plasmónicas, que exhiben propiedades fotónicas sintonizables, con el campo de puntos cuánticos, que exhiben propiedades electrónicas sintonizables ".

Jain y sus coautores hicieron sus puntos cuánticos a partir del sulfuro de cobre semiconductor, un material que se sabe que soporta numerosas estequiometrías deficientes en cobre. Inicialmente, los nanocristales de sulfuro de cobre se sintetizaron utilizando un método común de inyección en caliente. Si bien esto produjo nanocristales que se autodoparon intrínsecamente con portadores de carga de tipo p, no hubo control sobre la cantidad de cargos vacantes o transportistas.

"Pudimos superar esta limitación mediante el uso de un método de intercambio iónico a temperatura ambiente para sintetizar los nanocristales de sulfuro de cobre, "Dice Jain." Esto congela los nanocristales en un estado relativamente libre de vacantes, que luego podemos dopar de manera controlada usando oxidantes químicos comunes ".

Al introducir suficientes portadores de carga eléctrica gratuitos a través de dopantes y vacantes, Jain y sus colegas pudieron lograr LSPR en el rango del infrarrojo cercano del espectro electromagnético. La extensión de los plasmónicos para incluir tanto semiconductores como metales ofrece una serie de ventajas significativas, como explica Jain.

"A diferencia de un metal, la concentración de portadores de carga gratuita en un semiconductor puede controlarse activamente mediante el dopaje, temperatura, y / o transiciones de fase, ", dice." Por lo tanto, la frecuencia e intensidad de los LSPR en
Los puntos cuánticos doblables se pueden ajustar dinámicamente. Los LSPR de un metal, por otra parte, una vez diseñado a través de una selección de parámetros de nanoestructura, como la forma y el tamaño, está bloqueado permanentemente ".

Jain imagina que los puntos cuánticos se integrarán en una variedad de futuros dispositivos fotónicos basados ​​en chips y películas que se pueden cambiar o controlar activamente. y también se aplica a aplicaciones ópticas como la formación de imágenes in vivo. Además, El fuerte acoplamiento que es posible entre los modos fotónico y electrónico en tales puntos cuánticos dopados tiene un potencial emocionante para aplicaciones en energía solar fotovoltaica y fotosíntesis artificial.

"En sistemas fotovoltaicos y fotosintéticos artificiales, la luz necesita ser absorbida y canalizada para generar electrones energéticos y huecos, que luego se puede utilizar para producir electricidad o combustible, "Dice Jain." Para ser eficiente, es muy deseable que tales sistemas exhiban una interacción mejorada de la luz con los excitones. Esto es lo que podría lograr un punto cuántico dopado con un modo LSPR ".

El potencial para modos electrónicos y fotónicos fuertemente acoplados en puntos cuánticos dopados surge del hecho de que los puntos cuánticos semiconductores permiten excitaciones electrónicas cuantificadas (excitones), mientras que los LSPR sirven para localizar o confinar fuertemente la luz de frecuencias específicas dentro del punto cuántico. El resultado es una interacción excitón-luz mejorada. Dado que la frecuencia LSPR se puede controlar cambiando el nivel de dopaje, y los excitones se pueden ajustar mediante confinamiento cuántico, Debería ser posible diseñar puntos cuánticos dopados para recolectar las frecuencias de luz más ricas en el espectro solar.

Los plasmónicos de puntos cuánticos también ofrecen posibilidades interesantes para futuros dispositivos de computación y comunicación cuántica.

"El uso de fotones individuales, en forma de plasmones cuantificados, permitiría a los sistemas cuánticos enviar información a casi la velocidad de la luz, en comparación con la velocidad y la resistencia de los electrones en los sistemas clásicos, "Dice Jain." Los puntos cuánticos dopados al proporcionar excitones cuantificados fuertemente acoplados y LSPR y dentro de la misma nanoestructura podrían servir como una fuente de plasmones individuales ".

Jain y otros en el grupo de investigación de Alivsatos ahora están investigando el potencial de los puntos cuánticos dopados hechos de otros semiconductores. tales como seleniuro de cobre y telururo de germanio, que también muestran resonancias plasmónicas o fotónicas sintonizables. El telururo de germanio es de particular interés porque tiene propiedades de cambio de fase que son útiles para dispositivos de almacenamiento de memoria.

"Un objetivo a largo plazo es generalizar los fenómenos plasmónicos a todos los puntos cuánticos dopados, ya sea muy autodopado o extrínsecamente dopado con relativamente pocas impurezas o vacantes, "Dice Jain.