Exprimiendo la luz en la nanoescala

Los investigadores han desarrollado una nueva técnica para exprimir la luz infrarroja en espacios ultra confinados, generando una intensa antena a nanoescala que podría ser usada para detectar biomoléculas individuales.

Última Actualización en: junio 18, 2018

Los nanodiscos actúan como micro-resonadores, atrapando fotones infrarrojos y generando polaritones. Cuando se iluminan con luz infrarroja, los discos concentran la luz en un volumen miles de veces menor que el de los materiales ópticos estándar. A concentraciones tan altas, los polaritones oscilan como el agua salpicando en un vaso, cambiando su oscilación dependiendo de la frecuencia de la luz incidente.

Investigadores de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) han desarrollado una nueva técnica para exprimir luz infrarroja en espacios ultra confinados, generando una intensa antena a nanoescala que podría ser usada para detectar biomoléculas individuales.

Los investigadores aprovecharon el poder de los polaritones, partículas que difuminan la distinción entre luz y materia. Esta luz ultra confinada se puede utilizar para detectar cantidades muy pequeñas de materia cerca de los polaritones. Por ejemplo, muchas sustancias peligrosas, como el formaldehído, tienen una firma infrarroja que puede ser magnificada por estas antenas. La forma y el tamaño de los polaritones también se pueden ajustar, allanando el camino hacia detectores infrarrojos y biosensores inteligentes.

La investigación se publica en Science Advances.

“Este trabajo abre una nueva frontera en nanofotónica”, dijo Federico Capasso, Profesor Robert L. Wallace de Física Aplicada y Vinton Hayes Senior Research Fellow en Ingeniería Eléctrica, y autor principal del estudio. “Al acoplar la luz a las vibraciones atómicas, hemos concentrado la luz en nanodispositivos mucho más pequeños que su longitud de onda, dándonos una nueva herramienta para detectar y manipular moléculas.”

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Los polaritones son partículas híbridas cuánticas mecánicas, formadas por un fotón fuertemente acoplado a átomos vibrantes en un cristal bidimensional.

“Nuestro objetivo era aprovechar esta fuerte interacción entre la luz y la materia e ingeniar polaritones para enfocar la luz en espacios muy pequeños”, dijo Michele Tamagnone, becaria postdoctoral en Física Aplicada en SEAS y co-autora del trabajo.

 

Los investigadores construyeron nanodiscos, los más pequeños, de unos 50 nanómetros de alto y 200 nanómetros de ancho, hechos de cristales bidimensionales de nitruro de boro. Estos materiales actúan como micro-resonadores, atrapando fotones infrarrojos y generando polaritones. Cuando se iluminan con luz infrarroja, los discos son capaces de concentrar la luz en un volumen miles de veces más pequeño de lo que es posible con materiales ópticos estándar, como el vidrio.

A concentraciones tan altas, los investigadores notaron algo curioso en el comportamiento de los polaritones: oscilaban como el agua salpicando en un vaso, cambiando su oscilación dependiendo de la frecuencia de la luz incidente.

“Si inclinas una taza hacia adelante y hacia atrás, el agua del vaso oscila en una dirección. Si hace girar la taza, el agua dentro del vaso oscila en otra dirección. Los polaritones oscilan de manera similar, como si los nanodiscos fueran a encender lo que una taza es para regar”, dijo Tamagnone.

A diferencia de los materiales ópticos tradicionales, estos cristales de nitruro de boro no están limitados en tamaño por la longitud de onda de la luz, lo que significa que no hay límite a lo pequeña que puede ser la copa. Estos materiales también tienen pequeñas pérdidas ópticas, lo que significa que la luz confinada al disco puede oscilar durante mucho tiempo antes de que se asiente, haciendo que la luz interior sea aún más intensa.

Los investigadores concentraron aún más la luz colocando dos discos con oscilaciones coincidentes uno al lado del otro, atrapando la luz en el espacio de 50 nanómetros entre ellos y creando una antena infrarroja. A medida que la luz se concentra en volúmenes cada vez más pequeños, su intensidad aumenta, creando campos ópticos tan fuertes que pueden ejercer una fuerza mensurable sobre las partículas cercanas.

“Estas fuerzas inducidas por la luz también sirven como uno de nuestros mecanismos de detección”, dijo Antonio Ambrosio, científico principal del Center for Nanoscale Systems de Harvard. “Observamos esta luz ultra confinada por el movimiento que induce en una punta atómicamente afilada conectada a un voladizo.”

 

Un reto futuro para el equipo de Harvard es optimizar estos nanoconcentradores ligeros para alcanzar intensidades lo suficientemente altas como para mejorar la interacción con una sola molécula en valores detectables.

Esta investigación fue co-autoría de Kundan Chaudhary, Luis A. Jauregui, Philip Kim y William L. Wilson. Fue apoyado por la Fundación Nacional de la Ciencia y la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia.

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Fuentes & Referencias
http://www.seas.harvard.edu/

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