Resonancias de red excitadas por haces de luz de anchura finita

29 Ago, 2022 | Dinámica no lineal y fibras ópticas, Nanophotonics

Publicado un modelo teórico para calcular la respuesta óptica de una matriz periódica de nanopartículas metálicas excitada por un haz de luz realista, que revela limites importantes a la hora de construir estos dispositivos y también nuevos comportamientos.

Plasmones

Los electrones libres de las nanoestructuras hechas de materiales metálicos pueden oscilar al unísono produciendo plasmones de superficie. Estas excitaciones interactúan fuertemente con la luz, haciendo que la nanoestructura absorba y disperse la luz y también amplifique el campo electromagnético en su vecindad. Estas propiedades se están explotando actualmente en muchas aplicaciones. Por ejemplo, se usan para mejorar los dispositivos de captación de energía solar, para aumentar la eficiencia de procesos de fotocatálisis (favorecer o posibilitar que se produzca una reacción en la que está involucrada la luz) y para diseñar nuevos sensores ópticos o terapias fototérmicas contra el cáncer. Sin embargo, el hecho de que se acoplen fuertemente a la luz, junto con las pérdidas no radiativas inherentes de los materiales metálicos, hace que los plasmones de superficie de las nanopartículas individuales tengan factores de calidad bajos, lo cual complica su uso para ciertas aplicaciones.

¿Qué es el factor de calidad?

El factor Q, también denominado factor de calidad, es un parámetro que mide la relación entre la energía que se utiliza en un resonador y la energía que se pierde.

Matrices de nanoestructuras

Un enfoque muy prometedor para aumentar el factor de calidad y, además, obtener respuestas ópticas más fuertes, es colocar nanoestructuras metálicas idénticas formando una matriz periódica.
Al hacerlo, es posible excitar unos modos colectivos comúnmente conocidos como resonancias de red. Estas excitaciones surgen de la combinación de los plasmones de cada una de las partículas, los cuales al interaccionar en fase dan lugar a una onda con una mayor intensidad. Además, las resonancias de red, debido a su carácter colectivo, tienen factores de calidad récord para sistemas que involucran materiales metálicos.

Gracias a estas propiedades excepcionales, las resonancias en red de matrices de nanoestructuras metálicas son objeto de un importante esfuerzo de investigación, que ha dado lugar a muchas aplicaciones como biosensores ultrasensibles, elementos ópticos ultraplanos, dispositivos no lineales y emisores de luz, así como plataformas para mejorar la transmisión de energía en la nanoescala o explorar nuevos fenómenos físicos.

Sin embargo, a pesar del importante esfuerzo de investigación que se está realizando en este tema, la mayoría de los estudios teóricos realizados hasta la fecha se han centrado en el análisis de las propiedades de las resonancias de la red cuando se excitan en condiciones de iluminación de ondas plana.

Onda plana

Una onda plana es un campo electromagnético idealizado con amplitud constante en cualquier plano perpendicular a su dirección de propagación y, por definición, cubre una extensión espacial infinita. Por tanto, una onda plana representa una representación ideal de un haz de luz colimado y, en consecuencia, no existe en la vida real.

Luz sale de un punto para convertirse en una onda plaza tras pasar por una lente

Frente de onda de un haz de luz colimado con una anchura definida

El equipo investigador ha resuelto la tarea de comprender las condiciones bajo las cuales esta aproximación es válida, así como calcular qué nuevos comportamientos tienen las resonancias de la red de matrices periódicas de nanoestructuras metálicas cuando son excitadas por haces de luz de anchura finita.

El estudio

En este artículo, el equipo investigador formado por científicos de la Universidad de Nuevo México, de la Universidad Complutense de Madrid, y del Instituto de Óptica del CSIC, han presentado una investigación teórica detallada de la respuesta óptica de matrices periódicas de nanoestructuras metálicas bajo excitación por haces de luz de anchura finita.

Para ello el equipo ha desarrollado un modelo matemático que permite describir la excitación de la red por cualquier haz de luz coherente. Con ese modelo han encontrado que la respuesta óptica asociada con la resonancia de la red de la matriz depende en gran medida de la anchura del haz de luz y, a medida que aumenta, la respuesta se vuelve más colectiva y se acerca a lo calculado para una onda plana.

Una gráfica con un máximo en una longitud de onda y a la derecha un plano con nanoesferas en el siendo iluminadas algunas por un haz de luz
Esquema del sistema en estudio, que consiste en una matriz periódica compuesta de nanoesferas de plata con un diámetro de 100 nm
Además, el equipo también ha analizado cómo la anchura del haz de luz afecta al área de la matriz que genera respuesta. El análisis ha permitido determinar las propiedades del haz de luz que producen las respuestas ópticas más fuertes, revelando una complicada interacción entre el tamaño de la matriz y la extensión del haz que lo excita.

Los resultados de este trabajo proporcionan un marco teórico sólido para la descripción de la excitación de las resonancias de la red por haces de luz de ancho finito, lo que, además de ser una mejora aplicable a los estudios experimentales, también revela una rica variedad de comportamientos que no están presentes en el caso de una excitación de onda plana.

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