En un estudio que podría abrir las puertas a nuevas aplicaciones de la fotónica, desde la detección molecular hasta las comunicaciones inalámbricas, Los científicos de la Universidad de Rice han descubierto un nuevo método para sintonizar las vibraciones inducidas por la luz de las nanopartículas a través de ligeras alteraciones en la superficie a la que están adheridas las partículas.

En un estudio publicado en línea esta semana en Comunicaciones de la naturaleza , Los investigadores del Laboratorio de Nanofotónica de Rice (LANP) utilizaron pulsos de láser ultrarrápidos para inducir la vibración de los átomos de los nanodiscos de oro. Estos patrones vibratorios, conocidos como fonones acústicos, tienen una frecuencia característica que se relaciona directamente con el tamaño de la nanopartícula. Los investigadores descubrieron que podían ajustar la respuesta acústica de la partícula variando el grosor del material al que estaban adheridos los nanodiscos.

"Nuestros resultados apuntan hacia un método sencillo para ajustar la frecuencia de fonón acústico de una nanoestructura en el rango de gigahercios controlando el grosor de su capa de adhesión, "dijo el investigador principal Stephan Link, profesor asociado de química e ingeniería eléctrica e informática.

La luz no tiene masa pero cada fotón que golpea un objeto imparte una cantidad minúscula de movimiento mecánico, gracias a un fenómeno conocido como presión de radiación. Una rama de la física conocida como optomecánica se ha desarrollado durante la última década para estudiar y explotar la presión de radiación para aplicaciones como la detección de ondas de gravedad y la generación de baja temperatura.

Link y sus colegas de LANP se especializan en otra rama de la ciencia llamada plasmónica que se dedica al estudio de nanoestructuras activadas por luz. Los plasmones son ondas de electrones que fluyen como un fluido a través de una superficie metálica.

Cuando un pulso de luz de una longitud de onda específica golpea una partícula de metal como los nanodiscos de oro en forma de disco en los experimentos de LANP, la energía luminosa se convierte en plasmones. Estos plasmones chapotean en la superficie de la partícula con una frecuencia característica, de la misma manera que cada fonón tiene una frecuencia vibratoria característica.

El primer autor del estudio, Wei-Shun Chang, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Link, y los estudiantes de posgrado Fangfang Wen y Man-Nung Su llevaron a cabo una serie de experimentos que revelaron una conexión directa entre las frecuencias de resonancia de los plasmones y fonones en nanodiscos que habían sido expuestos a pulsos de láser.

"Calentar nanoestructuras con un pulso de luz corto lanza fonones acústicos que dependen sensiblemente de las dimensiones de la estructura, ", Dijo Link." Gracias a las técnicas litográficas avanzadas, los experimentadores pueden diseñar nanoestructuras plasmónicas con gran precisión. Según nuestros resultados, parece que las nanoestructuras plasmónicas pueden presentar una alternativa interesante a los osciladores optomecánicos convencionales ".

Chang dijo que los expertos en plasmónica a menudo se basan en sustratos cuando utilizan la litografía por haz de electrones para modelar las estructuras plasmónicas. Por ejemplo, Los nanodiscos de oro como los utilizados en los experimentos no se adhieren a los portaobjetos de vidrio. Pero si se agrega un sustrato delgado de titanio o cromo al vidrio, los discos se adherirán y permanecerán donde están colocados.

"La capa de sustrato afecta las propiedades mecánicas de la nanoestructura, pero quedan muchas preguntas sobre cómo lo hace, ", Dijo Chang." Nuestros experimentos exploraron cómo el grosor del sustrato afectaba propiedades como la adhesión y la frecuencia fonónica ".

Link dijo que la investigación fue un esfuerzo de colaboración que involucró a grupos de investigación en Rice y la Universidad de Melbourne en Victoria, Australia.

"Wei-Shun y Man-Nung de mi laboratorio hicieron la espectroscopia ultrarrápida, "Link dijo." Fangfang, que está en el grupo de Naomi Halas aquí en Rice, hizo los nanodiscos. John Sader en la Universidad de Melbourne, y su postdoctorado Debadi Chakraborty calculó los modos acústicos, y Yue Zhang, un estudiante graduado de Rice del grupo de Peter Nordlander en Rice simuló las propiedades ópticas / plasmónicas. Bo Shuang, del grupo de investigación de las Landas en Rice, contribuyó al análisis de los datos experimentales ".