En particular, los investigadores exploraron el efecto que los diferentes parámetros geométricos tienen en la respuesta óptica de estos sistemas y descubrieron que las matrices de dos orificios proporcionan resonancias de red más estrechas que conducen a cambios más pronunciados en la reflectancia de sistema y, por lo tanto, son más adecuadas para aplicaciones de detección. Después del estudio teórico, verificaron estas predicciones midiendo la reflectancia de diferentes matrices fabricadas mediante litografía por haz de electrones.

Con el conocimiento de la respuesta óptica de las matrices, calcularon los límites de sensibilidad que se pueden lograr si las matrices se iluminan con estados de luz comprimidos. Analizaron estos límites de sensibilidad fundamentales para ciertos niveles de compresión, así como la mejora efectiva con respecto a la sensibilidad obtenida utilizando iluminación clásica.

Los resultados de este trabajo avanzan en la comprensión de la respuesta óptica de estos sistemas y allanan el camino para desarrollar plataformas de detección capaces de aprovechar al máximo los recursos que ofrecen los estados cuánticos de luz.

matrices resonantes y transmisión óptica extraordinaria

Las matrices periódicas de nanoagujeros perforados en películas metálicas producen resonancias de red que surgen de la interacción coherente entre los plasmones superficiales localizados en cada uno de los agujeros individuales. Estas resonancias aparecen en longitudes de onda relacionadas con la periodicidad de la matriz y, debido a su naturaleza colectiva, producen respuestas ópticas fuertes y espectralmente estrechas, que dan como resultado factores de calidad mucho mayores que los de los plasmones localizados de los agujeros individuales.
Las resonancias de red están en el origen del fenómeno conocido como transmisión óptica extraordinaria (EOT), en el que las matrices de nanoagujeros producen niveles de transmisión mayores que las predicciones de la teoría clásica.

Gracias a estas propiedades, los conjuntos periódicos de nanoagujeros se han convertido en una plataforma ideal para el desarrollo de muchas aplicaciones que incluyen emisión de luz a nanoescala, filtrado e impresión de color, imágenes multiespectrales, entre otras.

De particular interés es el uso de estos sistemas como sensores ópticos. Las gran amplificación del campo electromagnético producido por las resonancias de red en la vecindad de la matriz, junto con sus excepcionales factores de calidad, permiten la detección de pequeñas variaciones en el entorno de la matriz a través de la medición de cambios en su respuesta óptica. Por estas razones, las matrices de nanoagujeros metálicos se pueden utilizar para detectar, por ejemplo, biomoléculas y virus.

Sin embargo, incluso para un sensor óptico ideal, el umbral de detección está limitado en última instancia por las propiedades de la luz utilizada para probarlo (la onda de la luz tiene un tamaño y los fotones son paquetes indivisibles). Cuando se utiliza luz clásica, este umbral se manifiesta, como ya hemos dicho, como el límite de ruido de disparo. Por lo tanto, la única forma de aumentar la sensibilidad de un sensor óptico dado sin utilizar más fotones (es decir, aumentar la intensidad de la luz) es extrayendo más información de cada fotón. Este objetivo se puede lograr mediante el uso de estados cuánticos de la luz, como los estados comprimidos o entrelazados.

Las matrices periódicas de nanoagujeros son particularmente adecuadas para este objetivo, como se demostró recientemente. Sin embargo, para aprovechar mejor los recursos adicionales proporcionados por los estados cuánticos de la luz, es necesario diseñar adecuadamente la respuesta óptica de las matrices de nanoagujeros.

Este trabajo es una colaboración del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Nuevo Mexico, el Departamento de Física y Astronomía Homer L. Dodge y el Centro de investigación Cuántica y Tecnología de la Universidad de Oklahoma, el Centro de Nanotecnología Integrada del Laboratorio Nacional Sandia y el Instituto de Óptica del CSIC