Viernes, 26 de mayo de 2017

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Controlando la luz con metales nanoestructurados


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Es bien sabido que los metales reflejan la luz. Pero también tienen otra propiedad óptica menos conocida: bajo ciertas condiciones la luz puede viajar por una superficie metálica, sin alejarse de ella. Esta es una propiedad muy peculiar ya que, normalmente, la luz viaja por las 3 dimensiones del espacio y confinarla no es sencillo. En realidad, esta “luz superficial” es una onda más complicada que la luz normal ya que involucra, al mismo tiempo, a campos eléctricos y magnéticos y a los electrones libres presentes en los metales; técnicamente es conocida con el nombre de “plasmón superficial”, nombre que abreviaremos por las siglas SP1 .

SPs: agentes para transportar energía

Como los electrones al moverse disipan energía en forma de calor, los SPs siempre han sido vistos como un sumidero de energía y, por tanto, como un inconveniente para la utilización de dispositivos metálicos en componentes ópticos. En efecto, más de la mitad de la energía que transportan los SPs se disipa en calor, tras haber recorrido éstos tan solo 0.1 mm. Claramente, los SPs no parecen ser los mejores agentes para transportar energía, al menos si pretendemos hacerlo a grandes distancias y para ellos 1 mm es una distancia larga!. Sin embargo, la continua miniaturización de los componentes electrónicos ha creado la necesidad de transportar información a escalas del orden de unas pocas micras (una micra es una milésima de milímetro) y, a esas escalas los SP sí que pueden ser eficientes ya que se mueven mucho más rápido que los electrones. Al mismo tiempo, la tecnología que ha dado lugar a esa miniaturización nos permite crear estructuras (rayas, protuberancias, agujeros, etc.) en las superficies metálicas con una precisión y control previamente inaccesibles.

En nuestra investigación pretendemos explorar si esas nuevas posibilidades en el diseño de estructuras nos pueden permitir controlar la propagación de los plasmones superficiales. Más en concreto, queremos saber cómo podemos poner energía eficientemente en estos SP, cómo podríamos moverlos por la superficie a nuestra voluntad (creando para ellos los equivalentes de lentes, divisores de haz, guías de onda y transistores, etc.), y finalmente, cómo extraer esa energía, probablemente en forma de luz o de señal eléctrica, para poderla transportar posteriormente a mayores distancias.

El interés por los SP creció repentinamente tras un experimento que ya es clásico. En 1990 un grupo experimental, liderado por Thomas Ebbesen de la Universidad Louis Pasteur de Estrasburgo, estudió cuánta luz pasa por una colección de agujeros perforados en una lámina de plata (ver Figura) que, aunque muy delgada (de unas 0.3 micras), sería opaca sin agujeros.

 

En la imagen: Red de agujeros periódicamente distribuidos en una lámina de plata. El diámetro de los agujeros es 0.28 micras y la distancia entre ellos 0.75 micras (figura cortesía de T.W.Ebbesen)

La transmisión de un único agujero era bien conocida y depende crucialmente de la relación entre el diámetro del agujero (d) y la longitud de onda (l) de la luz incidente (la longitud de onda es la distancia entre dos máximos de la onda, ver próxima figura): si d es mayor que 2 l casi toda la luz que incide sobre el agujero pasa, mientras que para agujeros más pequeños la transmisión es prácticamente nula.

En la figura: Definición de longitud de onda.

Ebbesen descubrió2 que una colección de agujeros pequeños, si estaban dispuestos de forma ordenada, dejaba pasar no sólo toda la luz que incidía sobre ellos, sino más de la que correspondería por su área, es decir, que recogían también gran parte de la que incidía sobre la lámina metálica, que prácticamente se volvía transparente. Este resultado sorprendente ocurría para una determinada longitud de onda, que Ebbesen supo relacionar con la de los SP de la lámina metálica. Sin embargo, aunque los experimentos sugerían que el fenómeno de transmisión extraordinaria estaba relacionado con la presencia de SP (lo que explicaría porque ese fenómeno no se observaba en sistemas no metálicos), el mecanismo físico por el cual el metal se volvía transparente no era claro.

Trabajo investigador del grupo

El primer trabajo de nuestro grupo en este campo abordó este problema3 .

Encontramos que, efectivamente, los SP eran los agentes causantes de la transmisión extraordinaria mediante un curioso mecanismo: tras entrar en el agujero, la luz va y vuelve repetidamente antes de salir del todo. En cada paso del circuito hay una pequeña fracción del campo electromagnético que se transmite, pero la suma de muchas pequeñas fracciones puede dar lugar a una transmisión muy alta. Más precisamente, como la luz es una onda, esta suma es en general de cantidades unas veces positivas y otras negativas, pero para ciertas relaciones entre las dimensiones de la lámina, los agujeros y la longitud de onda, cada fracción de luz transmitida tiene el mismo signo (en cuyo caso decimos que hay “interferencia constructiva”).

Encontramos además otros dos resultados: primero que el campo electromagnético se amplifica fuertemente en la superficie metálica en condiciones de transmisión extraordinaria, lo que crea la posibilidad de tener efectos no-lineales en la intensidad de la luz incidente, incluso a intensidades relativamente bajas. Normalmente la transmisión es lineal con la intensidad incidente, es decir a doble intensidad incidente tenemos doble transmisión, pero hay materiales que modifican la propagación de la luz de una forma que depende de cuánta luz les llega. En el caso que nos ocupa, si se rellenan los agujeros con un material de respuesta no-lineal la luz transmitida no crece (a intensidades altas) con la intensidad incidente4, lo que puede ser aplicado para proteger dispositivos a los que no debe llegar demasiada luz.

El segundo resultado tiene una aplicación directa menos clara pero es, en nuestra opinión, aún más importante. Al hacer los cálculos, consideramos el caso hipotético en que el metal tiene una conductividad eléctrica infinita, lo que se conoce como conductor perfecto (que sólo existe como idealización teórica y no en la naturaleza, aunque los metales reales por debajo del infrarrojo prácticamente se comportan como conductores perfectos).

Nuevas posibilidades de propagar la luz en metales

 Es sabido que una superficie plana de un metal así no tiene plasmones superficiales. Sin embargo, nuestros cálculos exhibían transmisión extraordinaria y, asociada a ella, la presencia de estados superficiales. El resultado es claro: una superficie plana de un conductor perfecto no soporta estados superficiales, pero una superficie con agujeros o rayas periódicamente espaciados sí lo hace. El hecho de poder crear estados superficiales donde no los había, o modificar las propiedades de los estados superficiales cuando si los hay (mediante el rayado de la superficie) abre nuevas posibilidades dentro de este campo.

En un trabajo posterior5, hemos estudiado el porqué de la aparición de estos estados superficiales inducidos por el rayado de la superficie, llegando a la conclusión de que, en ciertos casos, la superficie metálica perfecta rayada se comporta como una superficie metálica plana no rayada, pero con una conductividad efectiva que podemos diseñar a nuestra voluntad a través de la forma del rayado. Esto nos permite una especie de “alquimia” superficial: antes estábamos restringidos a SP en superficies de metales con poca resistencia, como plata u oro. Pero ahora podemos ir más allá, y “diseñar” metales con propiedades superficiales a la carta, previamente inexistentes en la naturaleza.

Un problema para ciertas aplicaciones de este fenómeno es que ocurre en redes periódicas de agujeros, donde la luz pasa a través de todos los agujeros por igual. Era natural preguntarse si sería posible conseguir un fuerte aumento de la luz a través de un único agujero. Conocer el mecanismo responsable de la transmisión extraordinaria en agujeros nos da una idea de cómo se podría conseguir esto: hay crear un estado superficial (por supuesto, rayando la superficie) pero, al mismo tiempo que sólo un agujero traspase la lámina metálica (ver Figura ).

 
En la imagen: Una única rendija (izquierda) y un único agujero (derecha) con un rayado de la superficie metálica próximo a ellos. La anchura de la rendija es 0.04 micras y el diámetro del agujero es 0.1 micra (figura cortesía de T.W.Ebbesen).
 
Efectivamente, rayando apropiadamente la superficie sobre la que incide la luz es posible aumentar fuertemente (¡más de 100 veces!) la cantidad de luz que pasa a través de una única abertura. También se encontró que rayar la superficie de salida apenas tiene un efecto en la cantidad total de luz transmitida. Pero, en este caso, aunque la cantidad de luz que sale no cambia, si que lo hace cómo sale: la luz sale en un haz finísimo, de tan sólo unos pocos grados de anchura angular. Este es un resultado más sorprendente de lo que parece, porque estamos acostumbrados a que la luz salga por rendijas (como las aperturas en una persiana) “en línea recta”. Pero esto es porque la anchura de las aberturas es, normalmente en la vida cotidiana, mucho mayor que la longitud de onda de la luz.
 
Es bien sabido en óptica que cuando las aberturas tienen dimensiones menores que media milésima de milímetro, se revela claramente la naturaleza ondulatoria de la luz, que sale prácticamente distribuida por igual en todas las direcciones. Pero, como hemos dicho antes, rayando la superficie de salida, podemos hacer que la luz pase por una única abertura pequeñísima y, al mismo tiempo, que la emisión sea direccional. La razón es que una parte importante de la luz transmitida “corre” a través de la superficie, donde “choca” con las rayas o agujeros creados, que se convierten en nuevos emisores. Y, como siempre que hay varios emisores, puede haber fenómenos de interferencia, que en este caso, podemos hacer que sea constructiva en ciertas direcciones, que son las del haz resultante.
 
En la siguiente figura se representa la densidad de energía de la luz transmitida a través de una lámina de metal con una rendija central, con 10 rayas a cada lado de la rendija. En este caso, la energía del haz es 20 veces mayor que si no estuvieran las rayas.

 
En la imagen: Flujo de energía luminosa (para una longitud de onda de 0.56 micras) saliendo de una rendija en una lámina metálica, mostrado la existencia de un haz fino y de un foco, donde se concentra la luz. A ambos lados de la rendija la superficie tiene 10 rayas, de 0.1 micras de profundidad. Las rayas están periódicamente espaciadas cada 0.5 micras y su anchura y la de la rendija central es 0.04 micras. La escala de colores no representa color real de la luz, sino intensidad de energía (máximos valores en rojo y mínimos en negro).
 
La siguiente figura resume como ha de ser el rayado para obtener aumento de transmisión total o creación de un haz. Aún más: estos dos efectos son independientes así que, con tan solo rayar apropiadamente tanto la superficies de entrada como la de salida cerca de una abertura, podemos aumentar la una intensidad luminosa en una determinada dirección en ¡miles de veces!.

En la imagen: Resumen de las propiedades de aperturas en superficies rayadas.

Aquí nos hemos centrado en la parte del trabajo que está más relacionada con cómo poner energía en las ondas superficiales, y como extraerla, intentando dar una idea de los “trucos” que podemos hacer con la luz. En estos momentos seguimos trabajando en estos temas, pero intentando aprender (descubrir) maneras de mover la luz en el plano, haciendo “óptica de plasmones”. Esperemos que pronto podamos escribir acerca de las soluciones en estas páginas…

Miembros del grupo investigador

  • Luis Martín-Moreno
  • Fernando López-Tejeira (que se incorporó al mismo con un contrato post-doctoral en 2004)

Ambos investigadores pertenecen al Departamento de Física de la Materia Condensada de la Universidad de Zaragoza, y miembros de Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón. En Enero de 2005 se unirán al grupo Sergio Gutiérrez y Giovanni Brucoli, como estudiantes de doctorado. Además, todos los trabajos en este tema están realizados en muy estrecha colaboración con el grupo liderado por F.J. García-Vidal en la Universidad Autónoma de Madrid.

Referencias biográficas

Fecha Aragón Investiga: 05/01/2005


Ficheros adjuntos


   Figura 5 a.jpg
   Figura_1 a.jpg
   Figura_2a.jpg
   Figura_3 a.jpg
   Figura_4 a.jpg