La nanofotónica o nanoóptica es el estudio del comportamiento de la luz en la escala nanométrica y de la interacción de los objetos a escala nanométrica con la luz. Es una rama de la óptica , la ingeniería óptica , la ingeniería eléctrica , y la nanotecnología . A menudo implica estructuras dieléctricas como nanoantenas o componentes metálicos, que pueden transportar y enfocar la luz a través de polaritones de plasmón de superficie .
El término "nanoóptica", al igual que el término "óptica", generalmente se refiere a situaciones que involucran luz ultravioleta , visible e infrarroja cercana (longitudes de onda en el espacio libre de 300 a 1200 nanómetros).
Fondo
Los componentes ópticos normales, como lentes y microscopios, normalmente no pueden enfocar la luz a escalas nanométricas ( sublongitud de onda profunda ), debido al límite de difracción ( criterio de Rayleigh ). Sin embargo, es posible exprimir luz en una escala nanométrica utilizando otras técnicas como, por ejemplo, los plasmones de superficie , los plasmones superficiales localizadas alrededor de los objetos a nanoescala de metal, y las aberturas de nanoescala y nanoescala puntas afiladas usadas en campo cercano microscopía de barrido óptico (SNOM o NSOM) [1] [2] [3] y microscopía de túnel de barrido fotoasistida . [4]
Motivaciones
Los investigadores en nanofotónica persiguen una amplia variedad de objetivos, en campos que van desde la bioquímica hasta la ingeniería eléctrica. Algunos de estos objetivos se resumen a continuación.
Optoelectrónica y microelectrónica
Si la luz puede exprimirse en un pequeño volumen, puede ser absorbida y detectada por un pequeño detector. Los fotodetectores pequeños tienden a tener una variedad de propiedades deseables que incluyen bajo ruido, alta velocidad y bajo voltaje y potencia. [5] [6] [7]
Los láseres pequeños tienen varias propiedades deseables para la comunicación óptica, incluida la corriente de umbral bajo (que ayuda a la eficiencia energética) y la modulación rápida [8] (lo que significa más transmisión de datos). Los láseres muy pequeños requieren cavidades ópticas de sublongitud de onda . Un ejemplo son los espasmos , la versión de plasmón de superficie de los láseres.
Los circuitos integrados se realizan mediante fotolitografía , es decir, exposición a la luz. Para hacer transistores muy pequeños, la luz debe enfocarse en imágenes extremadamente nítidas. Utilizando varias técnicas como la litografía de inmersión y las fotomáscaras de cambio de fase , ha sido posible hacer imágenes mucho más finas que la longitud de onda, por ejemplo, dibujar líneas de 30 nm con luz de 193 nm. [9] También se han propuesto técnicas plasmónicas para esta aplicación. [10]
La grabación magnética asistida por calor es un enfoque nanofotónico para aumentar la cantidad de datos que puede almacenar una unidad de disco magnético. Requiere un láser para calentar una pequeña área de sublongitud de onda del material magnético antes de escribir datos. El cabezal de escritura magnético tendría componentes ópticos de metal para concentrar la luz en el lugar correcto.
La miniaturización en optoelectrónica , por ejemplo la miniaturización de transistores en circuitos integrados , ha mejorado su velocidad y costo. Sin embargo, los circuitos optoelectrónicos solo se pueden miniaturizar si los componentes ópticos se encogen junto con los componentes electrónicos. Esto es relevante para la comunicación óptica en el chip (es decir, pasar información de una parte de un microchip a otra enviando luz a través de guías de ondas ópticas, en lugar de cambiar el voltaje en un cable). [6] [11]
Células solares
Las células solares a menudo funcionan mejor cuando la luz se absorbe muy cerca de la superficie, tanto porque los electrones cerca de la superficie tienen más posibilidades de ser recolectados como porque el dispositivo se puede hacer más delgado, lo que reduce el costo. Los investigadores han investigado una variedad de técnicas nanofotónicas para intensificar la luz en las ubicaciones óptimas dentro de una célula solar. [12]
Espectroscopia
Uso de nanofotónica para crear picos de alta intensidad : si una determinada cantidad de energía luminosa se comprime en un volumen cada vez más pequeño ("punto caliente"), la intensidad en el punto caliente aumenta cada vez más. Esto es especialmente útil en óptica no lineal ; un ejemplo es la dispersión Raman mejorada en la superficie . También permite mediciones de espectroscopía sensibles de incluso moléculas individuales ubicadas en el punto caliente, a diferencia de los métodos de espectroscopía tradicionales que toman un promedio de millones o miles de millones de moléculas. [13] [14]
Microscopía
Uno de los objetivos de la nanofotónica es construir los llamados " superlentes ", que utilizarían metamateriales (ver más abajo) u otras técnicas para crear imágenes que sean más precisas que el límite de difracción ( sublongitud de onda profunda ).
El microscopio óptico de barrido de campo cercano (NSOM o SNOM) es una técnica nanofotónica bastante diferente que logra el mismo objetivo de tomar imágenes con una resolución mucho menor que la longitud de onda. Implica el escaneo de trama de una punta muy afilada o una apertura muy pequeña sobre la superficie a ser fotografiada. [1]
La microscopía de campo cercano se refiere de manera más general a cualquier técnica que utilice el campo cercano (ver más abajo) para lograr una resolución de sublongitud de onda a nanoescala. Por ejemplo, la interferometría de polarización dual tiene una resolución de picómetro en el plano vertical sobre la superficie de la guía de ondas. [ cita requerida ]
Principios
Plasmones y óptica metálica
Los metales son una forma eficaz de confinar la luz muy por debajo de la longitud de onda. Esto se usó originalmente en la ingeniería de radio y microondas , donde las antenas y guías de ondas de metal pueden ser cientos de veces más pequeñas que la longitud de onda del espacio libre. Por una razón similar, la luz visible se puede confinar a la nanoescala a través de estructuras metálicas de tamaño nanométrico, como estructuras de tamaño nanométrico, puntas, huecos, etc. Muchos diseños de nanoóptica parecen circuitos comunes de microondas o ondas de radio, pero encogidos por un factor de 100.000 o más. Después de todo, las ondas de radio, las microondas y la luz visible son todas radiación electromagnética; difieren solo en frecuencia. Entonces, en igualdad de condiciones, un circuito de microondas reducido en un factor de 100.000 se comportará de la misma manera pero a una frecuencia 100.000 veces mayor. [15] Este efecto es algo análogo a un pararrayos, donde el campo se concentra en la punta. El campo tecnológico que hace uso de la interacción entre la luz y los metales se denomina plasmónicos . Se basa fundamentalmente en el hecho de que la permitividad del metal es muy grande y negativa. A frecuencias muy altas (cerca y por encima de la frecuencia del plasma , generalmente ultravioleta), la permitividad de un metal no es tan grande y el metal deja de ser útil para concentrar campos.
Por ejemplo, los investigadores han fabricado dipolos nanoópticos y antenas Yagi-Uda siguiendo esencialmente el mismo diseño que se utiliza para las antenas de radio. [17] [18]
Guías de ondas metálicas de placas paralelas (líneas de banda), elementos de circuito de constante concentrada como inductancia y capacitancia (a frecuencias de luz visible , los valores de esta última son del orden de femtohenries y attofarads, respectivamente) y adaptación de impedancia de antenas dipolo a Las líneas de transmisión , todas técnicas conocidas a frecuencias de microondas , son algunas de las áreas actuales del desarrollo de la nanofotónica. Dicho esto, hay una serie de diferencias muy importantes entre la nanoóptica y los circuitos de microondas reducidos. Por ejemplo, a frecuencia óptica, los metales se comportan mucho menos como conductores ideales y también exhiben efectos interesantes relacionados con el plasmón, como la inductancia cinética y la resonancia del plasmón superficial . Del mismo modo, los campos ópticos interactúan con los semiconductores de una manera fundamentalmente diferente a la de las microondas.
Óptica de campo cercano
La transformada de Fourier de una distribución de campo espacial consta de diferentes frecuencias espaciales . Las frecuencias espaciales más altas corresponden a las características muy finas y los bordes afilados.
En nanofotónica, a menudo se estudian fuentes de radiación fuertemente localizadas ( emisores dipolares como moléculas fluorescentes ). Estas fuentes se pueden descomponer en un amplio espectro de ondas planas con diferentes números de onda , que corresponden a las frecuencias espaciales angulares. Los componentes de frecuencia con números de onda más altos en comparación con el número de onda en el espacio libre de la luz forman campos evanescentes. Los componentes evanescentes existen solo en el campo cercano del emisor y decaen sin transferir energía neta al campo lejano . Por lo tanto, la información de sublongitud de onda del emisor se difumina; esto da como resultado el límite de difracción en los sistemas ópticos. [19]
La nanofotónica se ocupa principalmente de las ondas evanescentes de campo cercano. Por ejemplo, una superlente (mencionada anteriormente) evitaría la desintegración de la onda evanescente, lo que permitiría obtener imágenes de mayor resolución.
Metamateriales
Los metamateriales son materiales artificiales diseñados para tener propiedades que pueden no encontrarse en la naturaleza. Se crean mediante la fabricación de una serie de estructuras mucho más pequeñas que una longitud de onda. El tamaño pequeño (nano) de las estructuras es importante: de esa manera, la luz interactúa con ellas como si formaran un medio uniforme y continuo, en lugar de dispersar las estructuras individuales.
Ver también
- Fotónica ACS
- Comunicaciones intrachip nanofotónicas de alto rendimiento
- Diario de espectros fotónicos
- Fotónica de silicio
- Fotónica
Referencias
- ^ a b Pohl, DW; Denk, W .; Lanz, M. (1984). "Estetoscopía óptica: grabación de imágenes con resolución λ / 20". Apl. Phys. Lett . 44 (7): 651–653. Código Bibliográfico : 1984ApPhL..44..651P . doi : 10.1063 / 1.94865 .
- ^ Dürig, U .; Pohl, DW; Rohner, F. (1986). "Microscopía de barrido óptico de campo cercano". J. Appl. Phys . 59 (10): 3318–3327. Código Bibliográfico : 1986JAP .... 59.3318D . doi : 10.1063 / 1.336848 .
- ^ Betzig, E .; Harootunian, A .; Isaacson, M .; Kratschmer, E. (1986). "Microscopía óptica de barrido de campo cercano (NSOM)" . Biophys. J . 49 (1): 269-279. Código Bibliográfico : 1986BpJ .... 49..269B . doi : 10.1016 / s0006-3495 (86) 83640-2 . PMC 1329633 . PMID 19431633 .
- ^ Hewakuruppu, Y., et al., Método plasmónico de "bomba - sonda" para estudiar nanofluidos semitransparentes Archivado el 3 de marzo de 2016 en Wayback Machine , Applied Optics, 52 (24): 6041-6050
- ^ Assefa, Salomón; Xia, Fengnian; Vlasov, Yurii A. (2010). "Reinvención del fotodetector de avalancha de germanio para interconexiones ópticas en chip nanofotónicas". Naturaleza . 464 (7285): 80–4. Código Bibliográfico : 2010Natur.464 ... 80A . doi : 10.1038 / nature08813 . PMID 20203606 . S2CID 4372660 .
- ^ a b "Descubrimiento de investigación por científico etíope en IBM" . Revista Tadias . Consultado el 15 de marzo de 2010 .
- ^ "Fotodetector de avalanchas rompe récord de velocidad" . Mundo de la física . Consultado el 15 de marzo de 2010 .
- ^ Themistoklis PH Sidiropoulos, Robert Röder, Sebastian Geburt, Ortwin Hess, Stefan A. Maier, Carsten Ronning, Rupert F. Oulton (2014). "Láseres de nanocables plasmónicos ultrarrápidos cerca de la frecuencia del plasmón superficial". Física de la naturaleza . 10 (11): 870–876. Código Bibliográfico : 2014NatPh..10..870S . doi : 10.1038 / nphys3103 . hdl : 10044/1/18641 .Mantenimiento de CS1: utiliza el parámetro de autores ( enlace ) Comunicado de prensa Archivado el 25 de diciembre de 2016 en Wayback Machine.
- ^ Mano, Aaron. "Lentes de alto índice empujan la inmersión más allá de 32 nm" . Archivado desde el original el 29 de septiembre de 2015 . Consultado el 27 de septiembre de 2014 .
- ^ Liang Pan y col. (2011). "Litografía plasmónica sin máscara a 22 nm de resolución" . Informes científicos . 1 : 175. Código Bibliográfico : 2011NatSR ... 1E.175P . doi : 10.1038 / srep00175 . PMC 3240963 . PMID 22355690 .Mantenimiento de CS1: utiliza el parámetro de autores ( enlace )
- ^ "IBM Research | IBM Research | Silicon Integrated Nanophotonics" . Domino.research.ibm.com. 2010-03-04 . Consultado el 15 de marzo de 2010 .
- ^ Vivian E. Ferry, Jeremy N. Munday, Harry A. Atwater (2010). "Consideraciones de diseño para fotovoltaica plasmónica". Materiales avanzados . 22 (43): 4794–4808. doi : 10.1002 / adma.201000488 . PMID 20814916 .Mantenimiento de CS1: utiliza el parámetro de autores ( enlace )
- ^ Acuña, Guillermo; Grohmann, Dina; Tinnefeld, Philip (2014). "Mejora de la fluorescencia de una sola molécula con nanofotónica" . Cartas FEBS . 588 (19): 3547–3552. doi : 10.1016 / j.febslet.2014.06.016 . PMID 24928436 .
- ^ R. Zhang, Y. Zhang, ZC Dong, S. Jiang, C. Zhang, LG Chen, L. Zhang, Y. Liao, J. Aizpurua, Y. Luo, JL Yang, JG Hou (6 de junio de 2013). "Mapeo químico de una sola molécula por dispersión Raman mejorada con plasmón". Naturaleza . 498 (7452): 82–86. Código Bib : 2013Natur.498 ... 82Z . doi : 10.1038 / nature12151 . PMID 23739426 . S2CID 205233946 .Mantenimiento de CS1: utiliza el parámetro de autores ( enlace )
- ^ Pohl, DW (2000). "La óptica de campo cercano se ve como un problema de antena". Óptica de campo cercano: principios y aplicaciones / Segundo taller de Asia y el Pacífico sobre óptica de campo cercano . Singapur Nueva Jersey Londres Hong Kong: World Scientific. págs. 9-21. ISBN 981-02-4365-0.
- ^ van Hulst, Niek. "Nano-antena óptica controla la emisión de un solo punto cuántico" . 2física . 2física.
- ^ P. Muehlschlegel, H.-J. Eisler, OJF Martin, B. Hecht y DW Pohl (2005). "Antenas ópticas resonantes" . Ciencia . 308 (5728): 1607–9. Código Bibliográfico : 2005Sci ... 308.1607M . doi : 10.1126 / science.1111886 . PMID 15947182 . S2CID 40214874 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ Daniel Dregely, Richard Taubert, Jens Dorfmüller, Ralf Vogelgesang, Klaus Kern, Harald Giessen (2011). "Matriz de nanoantenas ópticas 3D Yagi-Uda" . Comunicaciones de la naturaleza . 2 (267): 267. Bibcode : 2011NatCo ... 2..267D . doi : 10.1038 / ncomms1268 . PMC 3104549 . PMID 21468019 .Mantenimiento de CS1: utiliza el parámetro de autores ( enlace )
- ^ Novotny, Lukas; Hecht, Bert (2012). Principios de la nanoóptica . Norwood: Prensa de la Universidad de Cambridge . ISBN 9780511794193.
enlaces externos
- Plataforma de nanoestructuración ePIXnet para integración fotónica
- Transporte de masa inducido ópticamente en campos cercanos
- "Avance fotónico para chips de silicio: la luz puede ejercer suficiente fuerza para accionar interruptores en un chip de silicio", por Hong X. Tang, IEEE Spectrum, octubre de 2009
- Nanofotónica, nanoóptica y nanoespectroscopía AJ Meixner (Ed.) Serie temática en el Open Access Beilstein Journal of Nanotechnology