Todos los que alguna vez han estado en el Gran Cañón pueden relacionarse con tener fuertes sentimientos al estar cerca de uno de los límites de la naturaleza. Similar, Científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han descubierto que las nanopartículas de oro actúan de manera inusual cuando están cerca del borde de una hoja de carbono de un átomo de espesor. llamado grafeno. Esto podría tener grandes implicaciones para el desarrollo de nuevos sensores y dispositivos cuánticos.

Este descubrimiento fue posible con un microscopio electrónico ultrarrápido (UEM) recientemente establecido en el Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne (CNM), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. La UEM permite la visualización e investigación de fenómenos a nanoescala y en marcos de tiempo de menos de una billonésima de segundo. Este descubrimiento podría causar sensación en el creciente campo de la plasmónica, que implica que la luz incida sobre la superficie de un material y provoque ondas de electrones, conocidos como campos plasmónicos.

Durante años, Los científicos han estado buscando el desarrollo de dispositivos plasmónicos con una amplia gama de aplicaciones, desde el procesamiento de información cuántica hasta la optoelectrónica (que combina componentes electrónicos y basados ​​en luz) y sensores para fines biológicos y médicos. Para hacerlo acoplan materiales bidimensionales con un espesor de nivel atómico, como el grafeno, con partículas de metal de tamaño nanométrico. Comprender el comportamiento plasmónico combinado de estos dos tipos diferentes de materiales requiere comprender exactamente cómo se acoplan.

En un estudio reciente de Argonne, Los investigadores utilizaron microscopía electrónica ultrarrápida para observar directamente el acoplamiento entre las nanopartículas de oro y el grafeno.

"Los plasmones de superficie son oscilaciones de electrones inducidas por la luz en la superficie de una nanopartícula o en una interfaz de una nanopartícula y otro material, ", dijo el nanocientífico de Argonne, Haihua Liu." Cuando iluminamos la nanopartícula, crea un campo plasmónico de corta duración. Los electrones pulsados ​​en nuestra UEM interactúan con este campo de corta duración cuando los dos se superponen, y los electrones ganan o pierden energía. Luego, recolectamos esos electrones que obtienen energía usando un filtro de energía para mapear las distribuciones del campo plasmónico alrededor de la nanopartícula ".

Al estudiar las nanopartículas de oro, Liu y sus colegas descubrieron un fenómeno inusual. Cuando la nanopartícula se asienta sobre una hoja plana de grafeno, el campo plasmónico era simétrico. Pero cuando la nanopartícula se colocó cerca de un borde de grafeno, el campo plasmónico se concentró mucho más cerca de la región del borde.

"Es una forma nueva y notable de pensar sobre cómo podemos manipular la carga en forma de campo plasmónico y otros fenómenos utilizando luz a nanoescala, "Dijo Liu." Con capacidades ultrarrápidas, no se sabe lo que podríamos ver a medida que modificamos diferentes materiales y sus propiedades ".

Todo este proceso experimental, desde la estimulación de la nanopartícula hasta la detección del campo plasmónico, ocurre en menos de unos cientos de billonésimas de segundo.

"El CNM es único en albergar un UEM que está abierto al acceso de los usuarios y es capaz de tomar medidas con una resolución espacial nanométrica y una resolución de tiempo de subpicosegundos, ", dijo la directora del CNM, Ilke Arslan." Tener la capacidad de tomar medidas como esta en un período de tiempo tan corto abre el examen de una amplia gama de nuevos fenómenos en estados de no equilibrio que no hemos tenido la capacidad de sondear antes. Estamos muy contentos de ofrecer esta capacidad a la comunidad internacional de usuarios ".

La comprensión obtenida con respecto al mecanismo de acoplamiento de este sistema de nanopartículas-grafeno debería ser clave para el futuro desarrollo de nuevos y emocionantes dispositivos plasmónicos.

Un artículo basado en el estudio, "Visualización de acoplamientos plasmónicos mediante microscopía electrónica ultrarrápida, "apareció en la edición del 21 de junio de Nano letras . Además de Liu y Arslan, autores adicionales incluyen Thomas Gage de Argonne, Richard Schaller y Stephen Gray. Prem Singh y Amit Jaiswal del Instituto Indio de Tecnología también contribuyeron, al igual que Jau Tang de la Universidad de Wuhan y Sang Tae Park de IDES, C ª.