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.

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

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.

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.