Al dar la vuelta a un proceso de fabricación tradicional basado en el laboratorio, los investigadores de la Universidad de Duke han ampliado en gran medida las capacidades de las metasuperficies de manipulación de la luz y, al mismo tiempo, las han hecho mucho más robustas contra los elementos.

La combinación podría permitir que estos dispositivos que maduran rápidamente se utilicen en una amplia gama de aplicaciones prácticas, como cámaras que capturan imágenes en un amplio espectro de luz con un solo disparo.

Los resultados aparecen en línea el 1 de julio en la revista Nano Letters .

La plasmónica es una tecnología que esencialmente atrapa la energía de la luz en grupos de electrones que oscilan juntos sobre una superficie metálica. Esto crea un campo electromagnético pequeño pero poderoso que interactúa con la luz entrante.

Tradicionalmente, estos grupos de electrones, llamados plasmones, se han excitado en las superficies de los nanocubos metálicos. Al controlar el tamaño de los nanocubos y su separación entre sí, así como la base de metal debajo, el sistema se puede ajustar para absorber longitudes de onda de luz específicas.

Estas llamadas metasuperficies plasmónicas constan de tres capas:una base de metal recubierta con un sustrato transparente nanométrico y cubierto con nanocubos de plata. Si bien esta configuración ha funcionado bien para demostraciones de laboratorio, deja poco espacio para la creatividad. Debido a que un área de la nanopartícula debe estar dentro de unos pocos nanómetros de la superficie metálica debajo, los investigadores no pudieron usar una amplia variedad de formas.

Para sortear esta necesidad de planitud, Maiken Mikkelsen, profesora asociada James N. y Elizabeth H. Barton de Ingeniería Eléctrica e Informática en Duke, y su equipo decidieron tratar de colocar cada nanopartícula en su propio hoyuelo o pozo. Esto rodearía todas las mitades inferiores de las nanopartículas con metal, lo que permitiría que los lados alberguen plasmones al igual que los fondos. Pero debido a las tolerancias increíblemente estrictas, es más fácil decirlo que hacerlo.

"Necesitamos controlar ciertas dimensiones con precisión de un solo nanómetro sobre la superficie de una oblea de un centímetro", dijo Mikkelsen. "Es como tratar de controlar el grosor de las briznas de hierba en un campo de fútbol".

Para enfrentar este desafío, Mikkelsen y su laboratorio esencialmente dieron la vuelta al proceso de fabricación tradicional. En lugar de comenzar con una superficie de metal y colocar un sustrato transparente delgado encima seguido de nanocubos, comienzan con los nanocubos, que cubren con una capa espaciadora exactamente delgada que sigue la forma subyacente, y rematan con una capa de metal. Es casi como un pastel invertido de piña, donde los nanocubos son las piñas que se cubren con azúcar caramelizada y se hornean en un fondo delgado.

Debido a que más de una superficie de los nanocubos ahora podría atrapar plasmones entre espacios, Mikkelsen y sus colegas pudieron experimentar en 3D con nuevas formas de nanopartículas. En el artículo, el equipo probó esferas sólidas y cuboctaedros, una forma que consta de ocho caras triangulares y seis caras cuadradas, así como esferas de metal con un núcleo de cuarzo.

"La síntesis de nanopartículas puede ser complicada y existen limitaciones para cada forma", dijo Mikkelsen. "Al poder usar casi todas las formas, realmente abrimos muchas posibilidades nuevas, incluida la exploración de una variedad de metales".

Los resultados de las pruebas mostraron que el nuevo método de fabricación no solo puede igualar o superar las capacidades de los métodos anteriores que utilizan nanocubos de plata, sino que también puede ampliar el rango de frecuencias que se aprovechan mediante el uso de estas diferentes formas y metales. La investigación también reveló que estas variaciones cambian donde las nanopartículas capturan energía en sus superficies. Combinada con la ventaja añadida de esencialmente climatizar todo el dispositivo al envolver las nanopartículas, la nueva técnica podría expandir potencialmente el uso de la tecnología para impulsar reacciones químicas o detectores térmicos.

Sin embargo, la primera prioridad de Mikkelsen es aplicar la técnica de fabricación a su proyecto para crear una "súper cámara" que pueda capturar y procesar una amplia gama de propiedades de la luz, como polarización, profundidad, fase, coherencia y ángulo de incidencia.

"Lo que es realmente significativo aquí es que las metasuperficies pueden cubrir grandes áreas macroscópicas de manera muy económica, ya que utilizamos técnicas de fabricación totalmente libres de litografía", dijo Mikkelsen. "Esto significa que las metasuperficies pueden integrarse con otras tecnologías existentes y también crear inspiración para nuevas aplicaciones de metasuperficies plasmónicas". + Explora más

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