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Descubren una inesperada modulación gigante de la luz con nanopartículas de oro

Madrid, Europa Press
3/dic/18 10:57 AM
eldia.es

Los investigadores de la Universidad Rice han descubierto una forma fundamentalmente diferente de interacción entre la luz y la materia en sus experimentos con nanopartículas de oro. Los resultados de la investigación aparecen publicados en un artículo en la revista 'American Chemical Society ACS Nano'.

No lo estaban buscando, pero los estudiantes en el laboratorio del químico de Rice, Stephan Link, encontraron que las partículas microscópicas excitantes producían una modulación casi perfecta de la luz que dispersaban. El descubrimiento puede ser útil en el desarrollo de componentes ópticos ultra pequeños de próxima generación para computadoras y antenas.

El trabajo surge de las complicadas interacciones entre la luz y las partículas metálicas plasmónicas que absorben y dispersan la luz de manera extremadamente eficiente. Los plasmones son cuasipartículas, excitaciones colectivas que se mueven en ondas en la superficie de algunos metales cuando son excitados por la luz.

Los investigadores de Rice estaban estudiando estructuras plasmónicas similares a un molinete de nanopartículas de oro en forma de C para ver cómo respondían a la luz polarizada circularmente y a su campo eléctrico giratorio, especialmente cuando se invirtió la precisión de la mano o la dirección de rotación de la polarización. Entonces decidieron estudiar partículas individuales.

"Lo devolvimos al sistema más simple posible en el que solo teníamos un solo brazo del molinillo, con una sola dirección de luz incidente", dice Lauren McCarthy, una estudiante graduada en el laboratorio de Link. "No esperábamos ver nada. Fue una completa sorpresa cuando coloqué esta muestra en el microscopio y giré mi polarización de izquierda a derecha. Pensé: '¿Se están encendiendo y apagando?' Eso no se supone que suceda", añade.

Ella y el coautor Kyle Smith, un reciente alumno de Rice, tuvieron que profundizar para entender por qué vieron esta 'modulación gigante'.

Al principio, sabían que la luz polarizada brillante en un ángulo particular sobre la superficie de su muestra de nanopartículas de oro unidas a un sustrato de vidrio crearía un campo evanescente, una onda electromagnética oscilante que recorre la superficie del vidrio y atrapa la luz como paralela Los espejos, un efecto conocido como una reflexión interna total.

También sabían que la luz polarizada circularmente se compone de ondas transversales. Las ondas transversales son perpendiculares a la dirección en que se mueve la luz y se pueden usar para controlar la salida plasmónica visible de la partícula. Pero cuando la luz está confinada, también se producen ondas longitudinales. Donde las ondas transversales se mueven hacia arriba y hacia abajo y de lado a lado, las ondas longitudinales se ven algo así como burbujas que se bombean a través de un tubo (como se ilustra al agitar un Slinky).

Descubrieron que la respuesta plasmónica de las nanopartículas de oro en forma de C depende de las interacciones fuera de fase entre las ondas transversales y longitudinales en el campo evanescente.

Para el molinillo, los investigadores encontraron que podían cambiar la intensidad de la salida de luz hasta en un 50 por ciento simplemente cambiando la habilidad de la entrada de luz polarizada circularmente, cambiando así la fase relativa entre las ondas transversales y longitudinales.

Cuando dividieron el experimento en nanopartículas de oro individuales en forma de C, encontraron que la forma era importante para el efecto. Al cambiar la capacidad de la entrada polarizada, las partículas se encendieron y apagaron casi por completo.

Las simulaciones del efecto del físico de Rice Peter Nordlander y su equipo confirmaron la explicación de lo que observaron los investigadores.

"Sabíamos que teníamos un campo evanescente y sabíamos que podía estar haciendo algo diferente, pero no sabíamos exactamente qué --señala McCarthy--. Eso no nos quedó claro hasta que terminamos las simulaciones, nos dijo qué luz era realmente excitante en las partículas y observamos que realmente coincide con el aspecto del campo evanescente.

"Nos llevó a darnos cuenta de que esto no se puede explicar por cómo funciona normalmente la luz --dice--. Tuvimos que ajustar nuestra comprensión de cómo la luz puede interactuar con este tipo de estructuras".

La forma de la nanopartícula dispara la orientación de tres dipolos (concentraciones de carga positiva y negativa) sobre las partículas, dijo McCarthy.

"El hecho de que el medio anillo tenga un radio de curvatura de 100 nanómetros significa que toda la estructura ocupa la mitad de la longitud de onda de la luz --explica--. Creemos que eso es importante para estimular a los dipolos en esta orientación particular".

Las simulaciones mostraron que revertir la intensidad de la luz polarizada incidente y lanzar las ondas fuera de fase invirtió la dirección del dipolo central, reduciendo dramáticamente la capacidad del medio anillo para dispersar la luz con la habilidad de un solo incidente. La polarización del campo evanescente explica el casi completo efecto de encendido y apagado de las estructuras en forma de C.

"Curiosamente, de alguna manera hemos completado el círculo con este trabajo --asegura Link--. Las superficies metálicas planas también son compatibles con los plasmones superficiales, como las nanopartículas, pero solo se pueden excitar con ondas evanescentes y no se dispersan en el campo lejano. Aquí encontramos que la excitación de nanopartículas con formas específicas que usan ondas evanescentes produce plasmones con propiedades de dispersión que son diferentes de las que se excitan con la luz del espacio libre".