Los investigadores de fotónica de la Universidad de Rice han presentado un nuevo amplificador de nanopartículas que puede generar luz infrarroja y aumentar la salida de una luz al capturar y convertir energía de una segunda luz.

La innovación lo último del Laboratorio de Nanofotónica de Rice (LANP), se describe en línea en un artículo de la revista American Chemical Society Nano letras . El dispositivo funciona como un láser, pero mientras que los láseres tienen una frecuencia de salida fija, la salida del "amplificador paramétrico óptico" (OPA) a nanoescala de Rice se puede sintonizar en un rango de frecuencias que incluye una parte del espectro infrarrojo.

"Las fuentes de luz OPA infrarrojas sintonizables cuestan hoy alrededor de $ 100, 000 y ocupan un buen espacio en una mesa o banco de laboratorio, "dijo el autor principal del estudio, Yu Zhang, ex estudiante de posgrado de Rice en LANP. "Lo que hemos demostrado, en principio, es una sola nanopartícula que cumple la misma función y tiene unos 400 nanómetros de diámetro ".

En comparación, eso es aproximadamente 15 veces más pequeño que un glóbulo rojo, y Zhang dijo que reducir una fuente de luz infrarroja a una escala tan pequeña podría abrir las puertas a nuevos tipos de detección química e imágenes moleculares que no son posibles con la espectroscopia infrarroja a nanoescala de última generación.

Zhang, quien obtuvo su Ph.D. de Rice en 2014 y hoy trabaja en Lam Research en Fremont, Calif., dicha amplificación paramétrica se ha utilizado durante décadas en microelectrónica. Implica dos señales de entrada, uno débil y otro fuerte, y dos salidas correspondientes. Los productos también son fuertes y débiles, pero la energía de la entrada más potente, conocida como "bomba", se utiliza para amplificar la "señal" entrante débil y convertirla en la salida más potente. La salida de baja potencia, conocida como "inactiva", contiene una fracción residual de la energía de la bomba.

"Los amplificadores paramétricos ópticos funcionan con luz en lugar de electricidad, "dijo la directora de LANP, Naomi Halas, el científico principal del nuevo estudio y el director del Instituto Smalley-Curl de Rice. "En las OPA, una luz de bombeo fuerte amplifica dramáticamente una señal débil de 'semilla' y genera una luz inactiva al mismo tiempo. En nuestro caso, las frecuencias de la bomba y la señal son visibles, y el ralentí es infrarrojo ".

Mientras que el láser de la bomba en el dispositivo de Rice tiene una longitud de onda fija, tanto la señal como las frecuencias de inactividad se pueden sintonizar.

"La gente ha demostrado anteriormente láseres infrarrojos a nanoescala, pero creemos que esta es la primera fuente de luz infrarroja a nanoescala sintonizable, "Dijo Halas.

El avance es el último para el laboratorio de Halas, el brazo de investigación del Instituto Smalley-Curl de Rice que se especializa en el estudio de nanopartículas activadas por luz. Por ejemplo, algunas nanopartículas metálicas convierten la luz en plasmones, ondas de electrones que fluyen como un fluido a través de la superficie de una partícula. En docenas de estudios durante las últimas dos décadas, Los investigadores de LANP han explorado la física básica de los plasmónicos y han demostrado que las interacciones plasmónicas se pueden aprovechar para aplicaciones tan diversas como diagnósticos médicos, tratamiento para el cáncer, captación de energía solar y computación óptica.

Una de las especialidades de LANP es el diseño de nanopartículas plasmónicas multifuncionales que interactúan con la luz en más de una forma. Zhang dijo que el proyecto OPA a nanoescala requería que el equipo de LANP creara una sola partícula que pudiera resonar simultáneamente con tres frecuencias de luz.

"Hay ineficiencias intrínsecas en el proceso de OPA, pero pudimos compensarlos diseñando un plasmón de superficie con resonancias triples en la bomba, frecuencias de señal y de inactividad, ", Dijo Zhang." La estrategia nos permitió demostrar la emisión sintonizable en un rango de frecuencias infrarrojas, un paso potencial importante para un mayor desarrollo de la tecnología ".

Zhang dijo que el ex investigador postdoctoral en física de Rice, Alejandro Manjavacas, ahora en la Universidad de Nuevo México, realizó los cálculos necesarios para diseñar la nanopartícula resonante triple.

Halas dijo que el proyecto también mostró la fuerza multidisciplinaria de LANP. "En nanofotónica, La investigación aplicada y la fundamental van de la mano porque una comprensión profunda de la física fundamental es lo que nos permite optimizar el diseño de partículas. Es por eso que una de las misiones principales de LANP es reunir a teóricos y experimentales, y este proyecto es un gran ejemplo de cómo vale la pena ".