Tome espirales de oro del tamaño de una moneda de diez centavos ... y encojalas alrededor de seis millones de veces. El resultado son las espirales continuas más pequeñas del mundo:"nanoespirales" con propiedades ópticas únicas que serían casi imposibles de falsificar si se añadieran a las tarjetas de identidad. moneda y otros objetos importantes.

Los estudiantes y profesores de la Universidad de Vanderbilt fabricaron estas pequeñas espirales de Arquímedes y luego usaron láseres ultrarrápidos en Vanderbilt y el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico en Richland. Washington, para caracterizar sus propiedades ópticas. Los resultados se informan en un artículo publicado en línea por el Revista de nanofotónica el 21 de mayo.

"Ciertamente son más pequeñas que cualquiera de las espirales que hemos encontrado reportadas en la literatura científica, "dijo Roderick Davidson II, el estudiante de doctorado de Vanderbilt que descubrió cómo estudiar su comportamiento óptico. Las espirales fueron diseñadas y fabricadas en Vanderbilt por otro estudiante de doctorado, Jed Ziegler, ahora en el Laboratorio de Investigaciones Navales.

La mayoría de los otros investigadores que han estudiado las notables propiedades de las espirales microscópicas lo han hecho colocando nanopartículas discretas en un patrón en espiral:similar a las espirales dibujadas con una serie de puntos de tinta en una hoja de papel. Por el contrario, las nuevas nano-espirales tienen brazos sólidos y son mucho más pequeñas:una matriz cuadrada con 100 nano-espirales en un lado tiene menos de una centésima de milímetro de ancho.

Cuando estas espirales se encogen a tamaños más pequeños que la longitud de onda de la luz visible, desarrollan propiedades ópticas inusuales. Por ejemplo, cuando se iluminan con luz láser infrarroja, emiten luz azul visible. Varios cristales producen este efecto, llamada duplicación de frecuencia o generación de armónicos, en varios grados. El doblador de frecuencia más fuerte conocido anteriormente es el borato de bario beta de cristal sintético, pero las nanoespirales producen cuatro veces más luz azul por unidad de volumen.

Cuando la luz láser infrarroja incide en las pequeñas espirales, es absorbido por electrones en los brazos de oro. Los brazos son tan delgados que los electrones se ven obligados a moverse a lo largo de la espiral. Los electrones que se dirigen hacia el centro absorben suficiente energía para que algunos de ellos emitan luz azul al doble de la frecuencia de la luz infrarroja entrante.

"Esto es similar a lo que sucede con una cuerda de violín cuando se inclina vigorosamente, "dijo el profesor de física Stevenson Richard Haglund, quien dirigió la investigación. "Si inclinas la cuerda de un violín muy ligeramente, se produce un solo tono. Pero, si lo inclinas vigorosamente, también comienza a producir armónicos más altos, o matices. Los electrones en el centro de las espirales son impulsados ​​con bastante fuerza por el campo eléctrico del láser. La luz azul es exactamente una octava más alta que la infrarroja, el segundo armónico ".

Las nano-espirales también tienen una respuesta distintiva a la luz láser polarizada. Luz linealmente polarizada, como el producido por un filtro Polaroid, vibra en un solo plano. Cuando es golpeado por tal rayo de luz, la cantidad de luz azul que emiten las nanoespirales varía a medida que el ángulo del plano de polarización gira 360 grados.

El efecto es aún más dramático cuando se usa luz láser polarizada circularmente. En luz circularmente polarizada, el plano de polarización gira en sentido horario o antihorario. Cuando las nanoespirales zurdas se iluminan con luz polarizada en el sentido de las agujas del reloj, la cantidad de luz azul producida se maximiza porque la polarización empuja los electrones hacia el centro de la espiral. Luz polarizada en sentido antihorario, por otra parte, produce una cantidad mínima de luz azul porque la polarización tiende a empujar los electrones hacia afuera, de modo que las ondas alrededor de la nanoespiral interfieren de manera destructiva.

La combinación de las características únicas de su duplicación de frecuencia y la respuesta a la luz polarizada proporciona a las nanoespirales un aspecto único, firma personalizable que sería extremadamente difícil de falsificar, dijeron los investigadores.

Hasta aquí, Davidson ha experimentado con pequeñas matrices de nano-espirales de oro sobre un sustrato de vidrio elaborado mediante litografía de barrido por haz de electrones. Las nanoespirales de plata y platino podrían fabricarse de la misma manera. Debido a las pequeñas cantidades de metal que se utilizan realmente, se pueden fabricar de forma económica con metales preciosos, que resisten la degradación química. También se pueden fabricar en plástico, papel y otros sustratos.

"Si las nanoespirales estuvieran integradas en una tarjeta de crédito o de identificación, podrían ser detectados por un dispositivo comparable a un lector de códigos de barras, "dijo Haglund.

El efecto de duplicación de frecuencia es lo suficientemente fuerte como para que las matrices que son demasiado pequeñas para verlas a simple vista puedan detectarse fácilmente. Eso significa que podrían colocarse en un lugar secreto en una tarjeta, lo que proporcionaría una barrera adicional a los falsificadores.

Los investigadores también argumentan que las matrices de nanoespiral codificadas podrían encapsularse y colocarse en explosivos, productos químicos y drogas, cualquier sustancia que alguien quiera rastrear de cerca, y luego se detecta mediante un dispositivo de lectura óptica.