Por siglos, Los artistas mezclaron polvo de plata y oro con vidrio para fabricar coloridas ventanas para decorar edificios. Los resultados fueron impresionantes, pero no tenían una razón científica de cómo estos ingredientes juntos formaban vidrieras. A principios del siglo XX, el físico Gustav Mie descubrió que el color de una nanopartícula de metal está relacionado con su tamaño y las propiedades ópticas del metal y los materiales adyacentes.

Los investigadores han descubierto recientemente la pieza que faltaba en este rompecabezas. Los trabajadores del vidrio medievales se sorprenderían al descubrir que estaban aprovechando lo que los científicos hoy llaman plasmónicos:un nuevo campo basado en oscilaciones de electrones llamados plasmones.

Concentración de luz

La plasmónica demuestra cómo la luz puede guiarse a lo largo de superficies metálicas o dentro de películas metálicas de nanómetros de espesor. Funciona así:a nivel atómico, Los cristales metálicos tienen una estructura de celosía muy organizada. La red contiene electrones libres, no estrechamente asociado con los átomos de metal, que interactúan con la luz que los golpea.

Estos electrones libres comienzan a oscilar colectivamente con respecto a la posición fija de los núcleos cargados positivamente en la red metálica. Como la densidad de las moléculas de aire en una onda de sonido, la densidad de electrones fluctúa en la red metálica como una onda de plasmón.

Luz visible, que tiene una longitud de onda de aproximadamente medio micrómetro, por lo tanto, se puede concentrar en un factor de casi 100 para viajar a través de películas metálicas de solo unos pocos nanómetros (nm) de espesor. Eso es 1, 000 veces más pequeño que un cabello humano. El nuevo estado de onda de luz-electrón-mixto potencia interacciones intensas de luz-materia con propiedades ópticas sin precedentes.

¿Qué pueden hacer los plasmónicos?

La plasmónica podría revolucionar la forma en que las computadoras o los teléfonos inteligentes transfieren datos dentro de sus circuitos electrónicos integrados. La transferencia de datos en los circuitos integrados electrónicos actuales ocurre a través del flujo de electrones en cables metálicos. En plasmónicos, se debe al movimiento oscilatorio de los núcleos positivos. Por lo tanto, la transferencia de datos requiere más tiempo con la tecnología antigua. Dado que la transferencia de datos plasmónicos ocurre con ondas similares a la luz y no con un flujo de electrones (corriente eléctrica) como en los cables metálicos convencionales, la transmisión de datos sería superrápida (cercana a la velocidad de la luz), similar a las tecnologías actuales de fibra de vidrio. Pero las películas de metal plasmónico son más de 100 veces más delgadas que las fibras de vidrio. Esto podría conducir a una tecnologías de la información más delgadas y ligeras.

Los plasmones de superficie también son excepcionalmente sensibles a cualquier material próximo a la película metálica. Una baja concentración de átomos, Las moléculas o bacterias unidas a la superficie del metal pueden cambiar las propiedades de sus plasmones. Esta función se puede utilizar para detección biológica y química a concentraciones extremadamente bajas, por ejemplo, para examinar el agua contaminada.

Si está diseñado correctamente, las multicapas de nanoestructuras de metal plasmónico / aislante forman metamateriales artificiales, donde la palabra griega "meta" significa "más allá". A diferencia de cualquier otro material de la naturaleza, estos metamateriales tienen un índice de refracción negativo. Esa es una medida de cuánta luz cambia de dirección cuando entra en un aislante transparente. Aisladores, incluyendo vidrio, tener un índice de refracción positivo; Doblan la luz que entra en un cierto ángulo más cerca de la perpendicular a la superficie del aislante.

A diferencia de, Los metamateriales multicapa desvían la luz en la dirección "opuesta". Esta fascinante propiedad se puede utilizar para ocultar objetos cubriéndolos con una envoltura de metamaterial. La lámina guía la luz suavemente alrededor del objeto en lugar de reflejarlo. Casi increíblemente el objeto cubierto se vuelve invisible.

Otras aplicaciones incluyen superlentes ópticos con una resolución significativamente más alta en comparación con los microscopios ópticos normales. Podrían permitir a los científicos ver objetos tan pequeños como de unos 100 nm de tamaño. Eso es aproximadamente una décima parte del tamaño de un germen típico.

Existen algunas capas ópticas y superlentes de prueba de principio. Pero las altas pérdidas de resistividad en las capas metálicas que convierten la energía de la onda de luz-electrón-onda en calor limitan actualmente la viabilidad de muchas aplicaciones.

Manufacturing plasmonic nanowires

High resistivity losses are the major issue with plasmonics. Para superar estas limitaciones, we design and fabricate unique plasmonic metal/organic/semiconductor nanowire heterostructures. Our goal is to excite the semiconductor nanowires with an external light source, then use the internal radiation in the nanowires as an energy-pump source to compensate for metallic losses. De esta manera, the nanowires couple light energy in concert with the light-electron-oscillations to the metal film, thus restoring the amplitude of the damped plasmon wave.

We use the organic molecular beam deposition (OMBD) method to coat the semiconductor nanowires with metal/organic multilayers. In the OMBD chamber, organic and metal materials reside in heatable cylindrical cells. We evaporate both organic molecules and metal atoms in heated cells at ultra-high vacuum (which is hundreds of billion times lower than atmosphere pressure). Then we direct the molecular and atom beams we have produced toward the semiconductor nanowire sample. The thickness of the resulting deposited film on the nanowire is controlled by mechanical shutters at the cell openings.

The energy-transfer processes from the optically excited semiconductor nanowire to the plasmon oscillations in the surrounding metal film are studied with ultrafast spectroscopic techniques.

Results from our studies will provide a new understanding of light-electron-waves in the novel and unique metal-semiconductor environment. Ojalá, we will open new prospects for designing low-loss or loss-free plasmonic devices. Ideally we want to enable new and important applications in information technologies, biological sensing and national defense. We further envision our investigations having a strong impact in other research fields:for instance, by utilizing the biocompatibility of our hybrid organic/metal structures, by enhancing the light emission in light-emitting diodes and laser structures or by improving light harvesting in photovoltaic devices.

Esta historia se publicó por cortesía de The Conversation (bajo Creative Commons-Attribution / Sin derivados).