Se sabe que las estructuras metálicas con tamaños del orden de decenas a cientos de nanometros soportan plasmones de superficie, oscilaciones colectivas de sus electrones de conducción, que dan lugar a respuestas ópticas muy intensas y al confinamiento del campo electromagnético en volúmenes menores que la longitud de onda. Gracias a estas propiedades, se ha realizado un tremendo esfuerzo orientado a diseñar e investigar la respuesta óptica de conjuntos de nanoestructuras plasmónicas organizados en diferentes geometrías. Un ejemplo particularmente interesante es la colocación de nanoestructuras metálicas en una matriz periódica bidimensional, puesto que da lugar a respuestas colectivas conocidas como resonancias de red. Estas excitaciones, que ocurren en longitudes de onda conmensurables con la periodicidad de la matriz, son el resultado de la interacción coherente entre los plasmones localizados de las nanopartículas que forman la red. Debido a su naturaleza colectiva, las resonancias de red producen fuertes respuestas ópticas, tanto en el campo lejano como en el cercano, con perfiles espectrales estrechos y dan como resultado factores de calidad récord para sistemas metálicos. Estas propiedades extraordinarias hacen que las matrices periódicas de nanoestructuras sean excelentes candidatos para una variedad de aplicaciones como detección óptica, emisión de luz a nanoescala, lentes, generación de segundo armónico y generación de color, además constituyen plataformas idóneas para explorar nuevos fenómenos físicos.
Recientemente, ha habido un interés creciente en investigar la respuesta óptica de matrices periódicas de nanoestructuras metálicas construidas a partir de la repetición de celdas unidad que contienen más de una partícula. Como es de esperar, estos sistemas, al ser más complejos que las matrices compuestas por celdas unidad de una sola partícula, muestran respuestas ópticas mucho más ricas. Una forma posible de crear una matriz con una celda unidad multipartícula es comenzar con una matriz de una sola partícula y eliminar algunas partículas de manera periódica. Dado que el sistema resultante todavía es periódico, se espera que admita resonancias de red. Sin embargo, en ese punto, surgen las siguientes preguntas: ¿Cuáles son las propiedades de estas resonancias de red y cómo se relaciona su origen con la presencia de las vacantes periódicas?
En este artículo, con el objetivo de responder a estas preguntas, empleamos una aproximación de dipolos acoplados para realizar un análisis integral de cómo el tamaño de partícula, la periodicidad de la matriz y la densidad de las vacantes determinan la respuesta óptica de la matriz. En particular, encontramos que las resonancias de red de estos sistemas aparecen más lejos de las anomalías de Rayleigh correspondientes y dan como resultado una reflectancia más pequeña y una absorbancia más grande que las de una matriz de una sola partícula con la misma periodicidad. Finalmente, analizamos una posible implementación de estos resultados utilizando matrices de nanocilindros embebidos en un medio dieléctrico homogéneo.
Los resultados de este trabajo permiten comprender el efecto de las vacantes periódicas en la respuesta de matrices periódicas de nanopartículas metálicas y, por tanto, sirven para incrementar el potencial de estos sistemas para aplicaciones tecnológicas como biosensores ultracompactos y fuentes de luz a nanoescala.
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El trabajo es una colaboración entre el Instituto de Óptica y el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de New Mexico en Albuquerque, EEUU.
