En una nueva publicación de Opto-Electronic Advances, los grupos de investigación del profesor Zhong-Qun Tian de la Universidad de Xiamen, Xiamen, China, y el profesor Huigao Duan de la Universidad de Hunan, Changsha, China, analizan las antenas rómbicas con nanopuentes que admiten modos plasmónicos dipolares y de alto orden con puntos de acceso espacialmente superpuestos en el infrarrojo medio.

Las antenas de infrarrojo medio (MIRA), a menudo construidas con metales (p. ej., Au, Al o Ag), semiconductores III-V altamente dopados, grafeno dopado con electrones o nanoestructuras basadas en polaritones de fonones, admiten resonancia óptica en el espectro de infrarrojo medio. rango (400 a 4000 cm−1). Los MIRA pueden actuar como antenas receptoras, concentrando así los haces de infrarrojo medio del espacio libre en regiones a nanoescala (denominadas puntos de acceso) en las proximidades de la superficie de los MIRA. Los MIRA también pueden actuar como antenas transmisoras para amplificar direccionalmente la radiación térmica producida por el calentamiento local de las fuentes acopladas a los MIRA. Estas características impresionantes de los MIRA han inspirado una amplia gama de investigaciones sobre sus aplicaciones potenciales para la espectroscopia de absorción infrarroja mejorada en superficie (SEIRA) que conduce a sensibilidades ultraaltas (hasta cientos de osciladores), para sensores biológicos y químicos en la región del infrarrojo medio, para la ingeniería de forma de haz de láseres de cascada cuántica y para fotodetectores de alta respuesta con absorción mejorada y eficiencia de recolección de fotoportadores en el infrarrojo medio. Los elementos centrales para las aplicaciones de alto rendimiento son las micro y nanoestructuras MIRA, pero el desarrollo de las estructuras MIRA está muy por detrás del de las nanoestructuras de antenas ópticas en el rango espectral visible.

Las estructuras de antena dipolar de un solo brazo se encuentran entre las MIRA más clásicas y, a menudo, consisten en barras de oro con longitudes de onda resonantes sintonizables ajustando la longitud de las barras. Además, también se han desarrollado antenas dipolares de doble brazo con espacios de tamaño nanométrico (nanoespacios), como los dímeros de barras de oro, debido a la fuerza de los factores de mejora del campo local en sus nanoespacios. Sin embargo, tanto las antenas dipolares de un solo brazo como las de dos brazos generalmente solo admiten el modo de resonancia dipolar, que es un modo fundamental y de banda estrecha con un ancho de banda típico de alrededor de 200–500 cm−1. Por lo general, los modos de alto orden en un solo brazo o dos brazos suelen ser demasiado débiles en los espectros ópticos. Esta función limita la aplicación que demanda múltiples resonancias en la región MIR.

Para obtener MIRAs multibanda se han diseñado varias micro y nanoestructuras más allá de las antenas de un solo brazo o de dos brazos, entre ellas, nanocruces de oro, estructuras de nanoapertura, microestructuras fractales, estructuras trapezoidales log-periódicas y antenas dipolares de múltiples longitudes. Estas estructuras podrían clasificarse en micro y nanoestructuras que soportan varios modos dipolares. Fundamentalmente, es un desafío a largo plazo desarrollar antenas de un solo brazo o de dos brazos que admitan modos plasmónicos fundamentales y de alto orden pronunciados simultáneamente, como un modo cuadrupolar.

El grupo de investigación del profesor Zhong-Qun Tian de la Universidad de Xiamen y el profesor Huigao Duan de la Universidad de Hunan diseñaron y fabricaron una antena rómbica de nanopuente multiescala (NBRA, Fig. 1a) que admitía dos resonancias dominantes en el MIR (Fig. 1b), incluida una banda de plasmón de transferencia de carga (CTP) y una banda de plasmón dipolar puenteado (BDP) que parece una resonancia cuádruple. Estas asignaciones se evidencian mediante imágenes de microscopía óptica de campo cercano de barrido de tipo dispersión (s-SNOM) y simulaciones electromagnéticas. En comparación con otras estructuras con nanopuentes, como discos o rectángulos con nanopuentes, la NBRA muestra distintas resonancias multibanda en la región del infrarrojo medio en los espectros de extinción simulados. Además, los puntos de acceso de la NBRA están ubicados en los extremos de la estructura, mientras que los puntos de acceso de los discos o rectángulos con nanopuentes en la resonancia CTP se distribuyen de manera dispersiva. La banda de alto orden solo ocurre con un puente de tamaño nanométrico (nanopuente) vinculado a un extremo del brazo rómbico que actúa principalmente como inductancia y resistencia por el análisis del circuito RLC. Además, los principales puntos de acceso asociados con las dos bandas resonantes se superponen espacialmente, lo que permite aumentar el campo local para ambas bandas mediante un acoplamiento multiescala. Con amplias mejoras de campo, se logra la detección multibanda con alta sensibilidad a una monocapa de moléculas cuando se utiliza la espectroscopia SEIRA. Este trabajo proporciona una nueva estrategia para activar modos de alto orden para diseñar MIRA multibanda con nanopuentes y nanogaps para aplicaciones MIR tales como SEIRA multibanda, detectores IR y formación de haz de láseres de cascada cuántica en el futuro. + Explora más

Ingeniería de fluorescencia de molécula única con nanoantenas asimétricas