Bajo ciertas condiciones, cuando la luz incide sobre una superficie metálica, los electrones de valencia del metal pueden acoplarse con los campos electromagnéticos de la radiación incidente, dando lugar a un movimiento colectivo de los mismos con la frecuencia de los campos. Estas resonancias, denominadas plasmones, son particularmente importantes cuando las estructuras metálicas se reducen hasta dimensiones nanométricas que, por permitir la existencia de este tipo de modos, adquieren el nombre de nanocavidades plasmónicas. Las resonancias plasmónicas presentan una serie de propiedades muy útiles, como el confinamiento de la radiación a escalas más pequeñas que la longitud de onda, la generación de torques y el intercambio de momento con la luz incidente.
El Estudio
Ahora, un equipo de investigadores ha estudiado cómo distorsionar la densidad local de estados que existen en una nanocavidad plasmónica gracias a la presencia de un emisor cuántico.
Densidad de estados
A grandes rasgos, la descripción cuántica de las propiedades físicas de un sistema es necesaria cuando se reducen sus dimensiones a escalas poco mayores que los tamaños atómicos. En este régimen microscópico, la energía y los estados posibles del sistema no son continuos, como podría ser la trayectoria clásica de un pájaro volando por el cielo. Sirva como ejemplo que los electrones que viajan por un sólido no pueden hacerlo a cualquier velocidad y energía, sino que existen solamente ciertos estados para los que el movimiento es posible, así como configuraciones de energía en las que los electrones no pueden desplazarse por el medio. En el contexto de la óptica y de la fotónica, la densidad de estados se refiere a las distintas configuraciones de energía que puede adoptar una excitación del sistema, que comúnmente llamamos fotón. Típicamente, existirán ciertos valores de energía que permitan la existencia de fotones en el sistema y otros en los que sea imposible la presencia de un fotón. En el primer caso, puesto que tratamos con un sistema que tiene estados de energía accesibles, diremos que la densidad de estados tiene un valor positivo, que será mayor cuantos más estados accesibles existan a esa energía. En el segundo, la densidad de estados será cero. Las resonancias conjuntas de los electrones y de los campos electromagnéticos de las cavidades plasmónicas adoptan esta forma discreta: solo existirán ciertos estados permitidos de energía, que podrán intercambiar dicha energía con su entorno.
Emisor cuántico
Como ya hemos indicado anteriormente, cuando lidiamos con sistemas formados por pocos átomos, los estados del sistema son discretos. Si consideramos uno de estos sistemas en un estado excitado, distinto al estado fundamental de más baja energía, distintos mecanismos pueden propiciar su relajación hacia el estado de mínima energía, al tiempo que el sistema emite radiación con la diferencia de energía entre los dos estados. Este tipo de sistema es lo que llamamos emisor cuántico, capaz de relajarse mediante la emisión de un solo fotón. El ejemplo más paradigmático de emisor cuántico es el átomo, pero pueden existir sistemas más complejos, como moléculas, iones o puntos cuánticos que también pueden presentar esta propiedad de emisión.
Durante la última década, la combinación de emisores cuánticos y de resonancias plasmónicas ha permitido acceder no solo al estudio de distintos regímenes de la interacción entre plasmones y emisores. Las cavidades plasmónicas han surgido como una de las tecnologías clave para explorar y explotar las propiedades de las interacciones luz-materia en la nanoescala, dando lugar a una plétora de investigaciones y aplicaciones en áreas como la
optomecánica, la biodetección o espectroscopía. Todas ellas hacen uso de la notable intensidad de las interacciones plasmón-emisor que se originan en estructuras metálicas en la nanoescala.
El desarrollo de diferentes técnicas de nanofabricación está superando progresivamente las dificultades inherentes al control tanto del número exacto de emisores cuánticos como de su posición y orientación exactas dentro de una nanocavidad. En esta línea, una parte considerable de la investigación actual de la interacción plasmón-emisor en sistemas nanométricos está orientada a lograr un régimen de la interacción denominado acoplamiento fuerte, donde el emisor cuántico y los modos plasmónicos forman estados híbridos de luz y materia, denominados polaritones, o más específicamente en el contexto de nanocavidades plasmónicas, plexcitones.
En este estudio teórico se consideran dos emisores en una cavidad plasmónica, tal y como se ve en la figura, cuya interacción con cada uno de los emisores por separado es conocida. El primer emisor ejerce el papel de detectar la densidad de estados resultante de la cavidad, modificada por la presencia del segundo emisor.
El grupo de investigadores ha desarrollado una teoría que describe la acción del segundo emisor a partir de las interacciones de la cavidad desvestida, sin la presencia del segundo emisor. Los resultados han sido obtenidos para dos cavidades, para las que han comprobado la validez de la teoría a través de simulaciones numéricas y, finalmente, han proporcionado una interpretación de sus resultados en términos de resultados teóricos recientes sobre la cuantización de modos plasmónicos. Los resultados reflejan que la presencia del segundo emisor puede incrementar o reducir significativamente la densidad de estados de la cavidad.
Este nuevo trabajo ofrece una nueva perspectiva sobre las interacciones de emisor cuántico a nanoescala, con especial relevancia en el contexto de los fenómenos de transporte de
excitones, en metamateriales ópticos cuánticos, así como en el diseño e ingeniería de picocavidades, donde las características subnanométricas alteran en gran medida su densidad local de estados.
EL trabajo es una colaboración entre el Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada y el Instituto de Física de la Materia Condensada (IFIMAC), ambos adscritos a la Universidad Autónoma de Madrid, el Department of Physics and Astronomy de la University of New Mexico y el Instituto de Óptica del CSIC.
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