Un metamaterial plasmónico es un metamaterial que usa plasmones de superficie para lograr propiedades ópticas que no se ven en la naturaleza. Los plasmones se producen a partir de la interacción de la luz con materiales dieléctricos de metal . En condiciones específicas, la luz incidente se acopla con los plasmones de superficie para crear ondas electromagnéticas de propagación autosostenidas conocidas como polaritones de plasmón de superficie (SPP). Una vez lanzados, los SPP se ondulan a lo largo de la interfaz metal-dieléctrico. En comparación con la luz incidente, los SPP pueden tener una longitud de onda mucho más corta. [1]
Las propiedades provienen de la estructura única de los compuestos dieléctricos de metal, con características más pequeñas que la longitud de onda de la luz separadas por distancias de sublongitud de onda . La luz que incide sobre dicho metamaterial se transforma en polaritones de plasmón de superficie, que tienen una longitud de onda más corta que la luz incidente.
Materiales plasmónicos
Los materiales plasmónicos son metales o materiales similares a los metales [2] que exhiben permitividad real negativa . Los materiales plasmónicos más comunes son el oro y la plata. Sin embargo, muchos otros materiales muestran propiedades ópticas similares al metal en rangos de longitud de onda específicos. [3] Varios grupos de investigación están experimentando con diferentes enfoques para hacer materiales plasmónicos que exhiban pérdidas más bajas y propiedades ópticas sintonizables.
Índice negativo
Los metamateriales plasmónicos son realizaciones de materiales propuestos por primera vez por Victor Veselago, un físico teórico ruso, en 1967. También conocidos como materiales de índice negativo o zurdos, Veselago teorizó que exhibirían propiedades ópticas opuestas a las del vidrio o el aire. En los materiales de índice negativo, la energía se transporta en una dirección opuesta a la de los frentes de onda que se propagan , en lugar de hacerlo en paralelo, como es el caso de los materiales de índice positivo. [4] [5]
Normalmente, la luz que viaja desde, digamos, el aire hacia el agua se dobla al pasar a través de la normal (un plano perpendicular a la superficie) y entrar en el agua. Por el contrario, la luz que alcanza un material de índice negativo a través del aire no cruzaría lo normal. Más bien, se doblaría en sentido contrario.
La refracción negativa se informó por primera vez para las frecuencias de microondas e infrarrojas . El índice de refracción negativo en el rango óptico fue demostrado por primera vez en 2005 por Shalaev et al. (a la longitud de onda de telecomunicaciones λ = 1,5 μm) [6] y por Brueck et al. (a λ = 2 μm) casi al mismo tiempo. [7] En 2007, una colaboración entre el Instituto de Tecnología de California y el NIST informó una banda estrecha, refracción negativa de la luz visible en dos dimensiones. [4] [5]
Para crear esta respuesta, la luz incidente se acopla con las cargas ondulantes similares a gases (plasmones) que normalmente se encuentran en la superficie de los metales. Esta interacción fotón-plasmón da como resultado SPP que generan campos ópticos localizados intensos. Las ondas se limitan a la interfaz entre el metal
y aislante. Este canal estrecho sirve como una guía transformadora que, en efecto, atrapa y comprime la longitud de onda de la luz entrante a una fracción de su valor original. [5]
Los sistemas nanomecánicos que incorporan metamateriales presentan una presión de radiación negativa . [8]
La luz que incide sobre materiales convencionales, con un índice de refracción positivo, ejerce una presión positiva, lo que significa que puede alejar un objeto de la fuente de luz. Por el contrario, la iluminación de los metamateriales de índice negativo debería generar una presión negativa que atraiga un objeto hacia la luz. [8]
Índice negativo tridimensional
Las simulaciones por computadora predicen metamateriales plasmónicos con un índice negativo en tres dimensiones. Los posibles métodos de fabricación incluyen la deposición de película fina multicapa , el fresado con haz de iones enfocado y el autoensamblaje . [8]
Índice de gradiente
Los PMM se pueden fabricar con un índice de gradiente (un material cuyo índice de refracción varía progresivamente a lo largo de la longitud o el área del material). Uno de esos materiales consistió en depositar un termoplástico , conocido como PMMA , sobre una superficie de oro mediante litografía por haz de electrones .
Hiperbólico
Los metamateriales hiperbólicos se comportan como un metal cuando la luz lo atraviesa en una dirección y como un dieléctrico cuando la luz pasa en la dirección perpendicular, lo que se denomina anisotropía extrema . La relación de dispersión del material forma un hiperboloide . La longitud de onda asociada puede, en principio, ser infinitamente pequeña. [9] Recientemente, se han demostrado metasuperficies hiperbólicas en la región visible con nanoestructuras de plata u oro mediante técnicas litográficas. [10] [11] Los dispositivos hiperbólicos reportados mostraron múltiples funciones de detección e imagen, por ejemplo, sin difracción, refracción negativa y efectos de resonancia de plasmón mejorados, habilitados por sus propiedades ópticas únicas. [12] Estas propiedades específicas también son muy necesarias para fabricar metacircuitos ópticos integrados para las aplicaciones de información cuántica.
Isotropía
Los primeros metamateriales creados exhiben anisotropía en sus efectos sobre los plasmones. Es decir, actúan solo en una dirección.
Más recientemente, los investigadores utilizaron una nueva técnica de auto-plegado para crear una matriz tridimensional de resonadores de anillo dividido que exhibe isotropía cuando se gira en cualquier dirección hasta un ángulo de incidencia de 40 grados. La exposición al aire de tiras de níquel y oro depositadas sobre un sustrato de polímero / silicio permitió que las tensiones mecánicas rizaran las tiras en anillos, formando los resonadores. Al disponer las tiras en diferentes ángulos entre sí, se logró una simetría cuádruple, lo que permitió a los resonadores producir efectos en múltiples direcciones. [13] [14]
Materiales
Sándwich de silicona
La refracción negativa de la luz visible se produjo por primera vez en una construcción tipo sándwich con capas delgadas. Una lámina aislante de nitruro de silicio estaba cubierta por una película de plata y cubierta por otra de oro. La dimensión crítica es el grosor de las capas, que suma una fracción de la longitud de onda de la luz azul y verde . Al incorporar este metamaterial en la óptica integrada en un chip IC , se demostró la refracción negativa en las frecuencias azul y verde. El resultado colectivo es una respuesta relativamente significativa a la luz. [4] [5]
Grafeno
El grafeno también se adapta a los plasmones de superficie, [15] observados mediante técnicas de microscopía óptica infrarroja de campo cercano [16] [17] y espectroscopía infrarroja . [18] Las aplicaciones potenciales de plasmónicos de grafeno implican frecuencias de terahercios a infrarrojos medios, en dispositivos como moduladores ópticos , fotodetectores y biosensores . [19]
Superrejilla
Un metamaterial hiperbólico hecho de nitruro de titanio (metal) y nitruro de escandio de aluminio (dieléctrico) tiene estructuras cristalinas compatibles y puede formar una superrejilla , un cristal que combina dos (o más) materiales. El material es compatible con la tecnología CMOS existente (a diferencia del oro y la plata tradicionales), mecánicamente fuerte y térmicamente estable a temperaturas más altas. El material exhibe densidades fotónicas de estados más altas que Au o Ag. [20] El material es un absorbente de luz eficiente. [21]
El material se creó utilizando epitaxia dentro de una cámara de vacío con una técnica conocida como pulverización catódica con magnetrón . El material presentaba capas ultrafinas y ultrasuaves con interfaces nítidas. [21]
Las posibles aplicaciones incluyen un " hiperlente plano " que podría hacer que los microscopios ópticos puedan ver objetos tan pequeños como el ADN , sensores avanzados, colectores solares más eficientes, nano-resonadores, computación cuántica y enfoque e imagen sin difracción. [21]
El material funciona en un amplio espectro desde el infrarrojo cercano hasta la luz visible. El infrarrojo cercano es esencial para las telecomunicaciones y las comunicaciones ópticas, y la luz visible es importante para sensores, microscopios y fuentes de luz de estado sólido eficientes. [21]
Aplicaciones
Microscopía
Una aplicación potencial es la microscopía más allá del límite de difracción . [4] Se utilizaron plasmónicos de índice de gradiente para producir lentes de Luneburg y Eaton que interactúan con polaritones de plasmón de superficie en lugar de fotones.
Una superlente teorizada podría exceder el límite de difracción que evita que las lentes estándar (de índice positivo) resuelvan objetos más pequeños que la mitad de la longitud de onda de la luz visible . Tal superlente capturaría información espacial que está más allá de la vista de los microscopios ópticos convencionales . Se han propuesto varios enfoques para construir un microscopio de este tipo. El dominio de sublongitud de onda podría ser conmutadores ópticos , moduladores, fotodetectores y emisores de luz direccionales. [22]
Detección biológica y química
Otras aplicaciones de prueba de concepto que se están revisando implican detección biológica y química de alta sensibilidad . Pueden permitir el desarrollo de sensores ópticos que aprovechen el confinamiento de plasmones superficiales dentro de un cierto tipo de nanorresonador Fabry-Perot. Este confinamiento personalizado permite la detección eficiente de enlaces específicos de analitos químicos o biológicos diana utilizando el solapamiento espacial entre el modo de resonador óptico y los ligandos de analito unidos a las paredes laterales de la cavidad del resonador. Las estructuras se optimizan utilizando simulaciones electromagnéticas en el dominio del tiempo de diferencia finita , fabricadas utilizando una combinación de litografía por haz de electrones y galvanoplastia , y probadas utilizando microscopía y espectroscopía óptica de campo cercano y campo lejano . [4]
Computación óptica
La computación óptica reemplaza las señales electrónicas con dispositivos de procesamiento de luz. [23]
En 2014, los investigadores anunciaron un interruptor óptico de velocidad de 200 nanómetros y terahercios. El interruptor está hecho de un metamaterial que consta de partículas a nanoescala de dióxido de vanadio ( VO
2), un cristal que cambia entre una fase metálica opaca y una fase semiconductora transparente. Las nanopartículas se depositan sobre un sustrato de vidrio y se recubren con nanopartículas de oro aún más pequeñas [24] que actúan como fotocátodo plasmónico . [25]
El láser de femtosegundo impulsa electrones libres en las partículas de oro que saltan al VO
2y provocar un cambio de fase de subpicosegundos. [24]
El dispositivo es compatible con la tecnología actual de circuitos integrados, chips basados en silicio y materiales dieléctricos de alto K. Opera en la región visible e infrarroja cercana del espectro. Genera solo 100 femtojulios / bit / operación, lo que permite que los interruptores se empaqueten de manera ajustada. [24]
Fotovoltaica
Los metales del grupo del oro (Au, Ag y Cu) se han utilizado como materiales activos directos en energía fotovoltaica y células solares. Los materiales actúan simultáneamente como donadores de electrones [26] y huecos, [27] y, por lo tanto, pueden intercalarse entre las capas de transporte de electrones y huecos para formar una célula fotovoltaica. En la actualidad, estas células fotovoltaicas permiten alimentar sensores inteligentes para la plataforma de Internet de las cosas (IoT). [28]
Ver también
- Historia de los metamateriales
- Absorbente de metamaterial
- Antenas de metamaterial
- Encubrimiento de metamateriales
- Metamateriales no lineales
- Metamateriales fotónicos
- Cristal fotónico
- Plasmón superficial falso
- Metamateriales de terahercios
- Metamateriales ajustables
- Óptica de transformación
- Teorías del encubrimiento
Referencias
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Este artículo incorpora material de dominio público del documento del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología : "Metamateriales plasmónicos tridimensionales" .
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enlaces externos
- Metamateriales plasmónicos: desde microscopios hasta capas de invisibilidad . 21 de enero de 2011. PhysOrg.com.