El esquema muestra la interacción de la luz láser con un resonador de brecha plasmónica, un dispositivo en miniatura diseñado en el NIST para medir con una precisión sin precedentes los movimientos a nanoescala de las nanopartículas. Un rayo láser incidente (rayo rosa a la izquierda) golpea el resonador, que consta de dos capas de oro separadas por un espacio de aire. La capa superior de oro está incrustada en una serie de diminutos voladizos (violetas), dispositivos vibrantes que se asemejan a un trampolín en miniatura. Cuando un voladizo se mueve, cambia el ancho del espacio de aire, cuales, Sucesivamente, cambia la intensidad de la luz láser reflejada por el resonador. La modulación de la luz revela el desplazamiento del diminuto voladizo. Crédito:Centro NIST de Ciencia y Tecnología a Nanoescala
Los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han desarrollado un nuevo dispositivo que mide el movimiento de partículas súper pequeñas que atraviesan distancias casi inimaginablemente pequeñas, más cortas que el diámetro de un átomo de hidrógeno. o menos de una millonésima parte del ancho de un cabello humano. El dispositivo de mano no solo puede detectar el movimiento a escala atómica de sus partes diminutas con una precisión sin precedentes, pero los investigadores han ideado un método para producir en masa la herramienta de medición altamente sensible.
Es relativamente fácil medir pequeños movimientos de objetos grandes, pero mucho más difícil cuando las partes móviles están en la escala de nanómetros. o mil millonésimas de metro. La capacidad de medir con precisión pequeños desplazamientos de cuerpos microscópicos tiene aplicaciones en la detección de trazas de agentes biológicos o químicos peligrosos. perfeccionar el movimiento de robots en miniatura, desplegando bolsas de aire con precisión y detectando ondas de sonido extremadamente débiles que viajan a través de películas delgadas.
Los físicos del NIST Brian Roxworthy y Vladimir Aksyuk describen su trabajo en el 6 de diciembre, 2016, Comunicaciones de la naturaleza .
Los investigadores midieron el movimiento a escala subatómica en una nanopartícula de oro. Hicieron esto diseñando un pequeño espacio de aire, unos 15 nanómetros de ancho, entre la nanopartícula de oro y una lámina de oro. Este espacio es tan pequeño que la luz láser no puede penetrarlo.
Sin embargo, los plasmones de superficie energizados por la luz:el colectivo, Movimiento ondulatorio de grupos de electrones confinados a viajar a lo largo del límite entre la superficie del oro y el aire.
Estas micrografías ópticas proporcionan una vista de arriba hacia abajo de varios resonadores de brecha plasmónica y hacen zoom en un solo dispositivo. Abajo a la derecha se muestra el esquema de un solo dispositivo. Crédito:Centro NIST de Ciencia y Tecnología a Nanoescala
Los investigadores aprovecharon la longitud de onda de la luz, la distancia entre picos sucesivos de la onda de luz. Con la elección correcta de longitud de onda, o equivalente, su frecuencia, la luz láser hace que los plasmones de una frecuencia particular oscilen hacia adelante y hacia atrás, o resonar, a lo largo de la brecha, como las reverberaciones de una cuerda de guitarra pulsada. Mientras tanto, a medida que se mueve la nanopartícula, cambia el ancho del espacio y, como afinar una cuerda de guitarra, cambia la frecuencia a la que resuenan los plasmones.
La interacción entre la luz láser y los plasmones es fundamental para detectar pequeños desplazamientos de partículas a nanoescala, señala Aksyuk. La luz no puede detectar fácilmente la ubicación o el movimiento de un objeto más pequeño que la longitud de onda del láser, pero convertir la luz en plasmones supera esta limitación. Debido a que los plasmones están confinados al pequeño espacio, son más sensibles que la luz para detectar el movimiento de objetos pequeños como la nanopartícula de oro.
La cantidad de luz láser reflejada desde el dispositivo de plasmón revela el ancho del espacio y el movimiento de la nanopartícula. Suponer, por ejemplo, que la brecha cambia, debido al movimiento de la nanopartícula, de tal manera que la frecuencia natural, o resonancia, de los plasmones se asemeja más a la frecuencia de la luz láser. En ese caso, los plasmones pueden absorber más energía de la luz láser, y se refleja menos luz.
Para utilizar esta técnica de detección de movimiento en un dispositivo práctico, Aksyuk y Roxworthy incorporaron la nanopartícula de oro en una estructura mecánica a escala microscópica:un voladizo vibrante, una especie de trampolín en miniatura, de unos pocos micrómetros de largo, hecho de nitruro de silicio. Incluso cuando no se ponen en movimiento, tales dispositivos nunca permanecen perfectamente quietos, pero vibra a alta frecuencia, empujados por el movimiento aleatorio de sus moléculas a temperatura ambiente. A pesar de que la amplitud de la vibración era minúscula, moviéndose a distancias subatómicas, era fácil de detectar con la nueva técnica plasmónica. Similar, aunque típicamente más grande, las estructuras mecánicas se utilizan comúnmente tanto para mediciones científicas como para sensores prácticos; por ejemplo, detección de movimiento y orientación en automóviles y teléfonos inteligentes. Los científicos del NIST esperan que su nueva forma de medir el movimiento a nanoescala ayude a miniaturizar aún más y mejorar el rendimiento de muchos de estos sistemas micromecánicos.
"Esta arquitectura allana el camino para los avances en la detección nanomecánica, "escriben los investigadores." Podemos detectar pequeños movimientos de forma más local y precisa con estos resonadores plasmónicos que con cualquier otra forma de hacerlo, "dijo Aksyuk.
El enfoque de fabricación del equipo permite la producción de unos 25, 000 de los dispositivos en un chip de computadora, con cada dispositivo diseñado para detectar movimiento de acuerdo con las necesidades del fabricante.
