Un equipo multidisciplinar en el Centre d'Elaboration de Matériaux et d'Etudes Structurales (CEMES, CNRS), trabajando en colaboración con físicos en Singapur y químicos en Bristol (Reino Unido), han demostrado que las nanopartículas de oro cristalino alineadas y luego fusionadas en largas cadenas se pueden utilizar para confinar la energía luminosa a la escala nanométrica y, al mismo tiempo, permitir su propagación a largo plazo. Su trabajo fue publicado en línea en el sitio web de Materiales de la naturaleza el 26 de octubre.

La luz se puede utilizar para transmitir información. Esta propiedad es, por ejemplo, utilizado en fibra óptica, y proporciona una alternativa interesante a la microelectrónica. El uso de luz aumenta las tasas de transmisión y reduce la pérdida de energía causada por el calentamiento cuando se usa una señal eléctrica. Sin embargo, Quedan por superar varios obstáculos, en particular el de la miniaturización:la fibra óptica dificulta el confinamiento de la luz en volúmenes inferiores a un micrómetro (10 ^-6 metros).

Los electrones se mueven libremente a través de los metales y, a veces, comienzan a oscilar colectivamente en su superficie bajo el efecto de la luz. como en metales nobles como el oro y la plata. Las propiedades de tales oscilaciones colectivas, conocidos como plasmones, en los últimos veinte años han allanado el camino para el confinamiento de la energía lumínica por sublongitud de onda (es decir, menos de un micrómetro). Al transmitir la energía transportada por los fotones a los electrones en movimiento, es posible transportar información en estructuras más estrechas que las fibras ópticas. Para alcanzar un confinamiento aún mayor, La plasmónica se centra ahora en las propiedades ópticas de las nanopartículas cristalinas. La superficie cristalina lisa evita perturbar las oscilaciones de los electrones y reduce las pérdidas de energía. La explotación de las propiedades de estas nanopartículas debería permitir, por tanto, lograr confinamientos en la región nanométrica y el transporte de información a gran distancia simultáneamente.

En este estudio, Los investigadores demostraron que cuando las nanopartículas de oro con un diámetro de diez nanómetros se alinean en una cadena, los plasmones que transportan generan oscilaciones específicas que conducen a una propagación muy confinada. Sin embargo, la energía se pierde con cada paso entre dos nanopartículas. Aunque esta característica puede aprovecharse para determinadas aplicaciones que requieren fuentes de calor muy localizadas, especialmente en medicina, no favorece la propagación a larga distancia.

Por lo tanto, los investigadores fusionaron cuidadosamente las nanoperlas enfocando un haz de electrones de alta energía sobre ellas, formando así una red cristalina continua. Observaron que la pérdida de energía se redujo y que los plasmones podían oscilar libremente en distancias muy largas. mientras permanece confinado dentro del diámetro de las nanopartículas. Dentro de esta cadena de cuentas, que tiene apenas diez nanómetros de ancho, la información puede viajar hasta 4000 nanómetros.

Otro desafío que se resolvió con éxito en este estudio fue mapear, con una precisión excepcional, las oscilaciones de electrones observadas en la superficie de la cadena de nanopartículas. Los diferentes tipos de movimiento de los plasmones se caracterizaron mediante una técnica de microscopía llamada espectroscopía de pérdida de energía electrónica (EELS), cuya muy fina resolución espacial y espectral permitió a los investigadores proponer un nuevo modelo teórico del comportamiento del plasmón. Las simulaciones basadas en este modelo reproducen los experimentos con una precisión sin precedentes.

Este trabajo, que fue el resultado de una colaboración a largo plazo con equipos en Bristol y Singapur, podría conducir a una miniaturización extrema de la guía de luz y abrir el camino a aplicaciones para sensores, por ejemplo en fotovoltaica, y en telecomunicaciones.