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  • Los investigadores demuestran nanoestructuras metálicas prácticas

    La vista de un artista de una metasuperficie que consiste en una matriz rectangular de nanoestructuras rectangulares de oro que generan resonancias de celosía de superficie plasmónica. Crédito:Ilustración de Yaryna Mamchur, coautor y estudiante de verano de Mitacs de la Universidad Técnica Nacional de Ucrania “Instituto Politécnico Igor Sikorsky Kyiv, ”Que trabajó en el laboratorio de la profesora Ksenia Dolgaleva en el verano de 2019 en uOttawa.

    Investigadores de la Universidad de Ottawa han desmentido el mito de una década de que los metales son inútiles en la fotónica, la ciencia y la tecnología de la luz, con sus hallazgos, publicado recientemente en Comunicaciones de la naturaleza, se espera que dé lugar a muchas aplicaciones en el campo de la nanofotónica.

    "Rompimos el récord del factor de calidad de resonancia (factor Q) de una matriz periódica de nanopartículas metálicas en un orden de magnitud en comparación con informes anteriores, "dijo la autora principal, la Dra. Ksenia Dolgaleva, Cátedra de Investigación de Canadá en Fotónica Integrada (Nivel 2) y Profesora Asociada en la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) de la Universidad de Ottawa.

    "Es un hecho bien conocido que los metales tienen muchas pérdidas cuando interactúan con la luz, lo que significa que provocan la disipación de energía eléctrica. Las elevadas pérdidas comprometen su uso en óptica y fotónica. Demostramos resonancias de Q ultra alta en una metasuperficie (una superficie estructurada artificialmente) compuesta por una serie de nanopartículas metálicas incrustadas dentro de un sustrato de vidrio plano. Estas resonancias se pueden utilizar para manipular la luz de manera eficiente y mejorar la interacción luz-materia. mostrando que los metales son útiles en fotónica ".

    "En trabajos anteriores, los investigadores intentaron mitigar el efecto adverso de las pérdidas para acceder a las propiedades favorables de las matrices de nanopartículas metálicas, "observó el coautor principal del estudio, Md Saad Bin-Alam, estudiante de doctorado de uOttawa en EECS.

    "Sin embargo, sus intentos no proporcionaron una mejora significativa en los factores de calidad de las resonancias de las matrices. Implementamos una combinación de técnicas en lugar de un enfoque único y obtuvimos una mejora de orden de magnitud que demuestra una matriz de nanopartículas metálicas (metasuperficie) con un factor de calidad récord ".

    Según los investigadores, Las superficies estructuradas, también llamadas metasuperficies, tienen perspectivas muy prometedoras en una variedad de aplicaciones nanofotónicas que nunca podrán explorarse utilizando materiales a granel naturales tradicionales. Sensores nanoláseres, el modelado y la dirección del haz de luz son solo algunos ejemplos de las muchas aplicaciones.

    "Las metauperficies hechas de nanopartículas de metales nobles (oro o plata, por ejemplo) poseen algunos beneficios únicos sobre las nanopartículas no metálicas. Pueden confinar y controlar la luz en un volumen a nanoescala que es menos de un cuarto de la longitud de onda de la luz (menos de 100 nm , mientras que el ancho de un cabello es superior a 10000 nm), "explicó Md Saad Bin-Alam.

    "Curiosamente, a diferencia de las nanopartículas no metálicas, la luz no está confinada ni atrapada dentro de las nanopartículas metálicas, sino que se concentra cerca de su superficie. Este fenómeno se denomina científicamente "resonancias de plasmones superficiales localizados (LSPR)". Esta característica otorga una gran superioridad a las nanopartículas metálicas en comparación con sus contrapartes dieléctricas, porque uno podría explotar tales resonancias superficiales para detectar bio-organismos o moléculas en medicina o química. También, tales resonancias superficiales podrían usarse como el mecanismo de retroalimentación necesario para la ganancia del láser. De tal manera, se puede realizar un láser diminuto a nanoescala que se puede adoptar en muchas aplicaciones nanofotónicas futuras, como detección de luz y rango (LiDAR) para la detección de objetos de campo lejano ".

    Según los investigadores, la eficiencia de estas aplicaciones depende de los factores Q resonantes.

    "Desafortunadamente, debido a la alta pérdida 'absorbente' y 'radiativa' en las nanopartículas metálicas, los factores Q de LSPR son muy bajos, "dijo el coautor principal, el Dr. Orad Reshef, becario postdoctoral en el Departamento de Física de la Universidad de Ottawa.

    "Hace más de una década, Los investigadores encontraron una manera de mitigar la pérdida disipativa colocando cuidadosamente las nanopartículas en una red. A partir de tal manipulación de 'celosía de superficie', emerge una nueva 'resonancia de celosía de superficie (SLR)' con pérdidas suprimidas. Hasta nuestro trabajo, los factores Q máximos informados en las SLR fueron de unos pocos cientos. Aunque estas primeras SLR informadas eran mejores que las LSPR de baja Q, todavía no eran muy impresionantes para aplicaciones eficientes. Llevó al mito de que los metales no son útiles para aplicaciones prácticas ".

    Un mito que el grupo supo deconstruir durante su trabajo en el Complejo de Investigación Avanzada de la Universidad de Ottawa entre 2017 y 2020.

    "En primer lugar, realizamos un modelado numérico de una metasuperficie de nanopartículas de oro y nos sorprendió obtener factores de calidad de varios miles, "dijo Md Saad Bin-Alam, que diseñó principalmente la estructura de la metasuperficie.

    "Este valor nunca se ha informado de forma experimental, y decidimos analizar por qué e intentar una demostración experimental de una Q tan alta. Observamos una SLR de Q muy alta con un valor de casi 2400, eso es al menos 10 veces más grande que las SLR más grandes Q reportadas anteriormente ".

    Un descubrimiento que les hizo darse cuenta de que aún queda mucho por aprender sobre los metales.

    "Nuestra investigación demostró que todavía estamos lejos de conocer todos los misterios ocultos de las nanoestructuras metálicas (plasmónicas), "concluyó el Dr. Orad Reshef, quien fabricó la muestra de metasuperficie. "Nuestro trabajo ha desmentido un mito de una década de que tales estructuras no son adecuadas para aplicaciones ópticas de la vida real debido a las altas pérdidas. Demostramos que, mediante la ingeniería adecuada de la nanoestructura y la realización cuidadosa de un experimento, se puede mejorar significativamente el resultado ".

    El papel, "Resonancias de Q ultraalto en metasuperficies plasmónicas, "se publica en Comunicaciones de la naturaleza .


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