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La luz en el túnel

Investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid, IMDEA Nanociencia e IFIMAC desarrollan un nuevo método para la fabricación y caracterización de cavidades fotónicas de tamaño atómico, explotando para ello el efecto mecanocuántico de túnel. Este descubrimiento puede ser fundamental para la comprensión y el diseño de nuevos dispositivos opto-electrónicos de tamaño nanométrico, que serán clave para el desarrollo de nuevas tecnologías basadas en propiedades cuánticas, tales como sensores u ordenadores cuánticos.

Fuente: IMDEA Nanomedicina

Las cavidades fotónicas son una parte esencial de muchos dispositivos ópticos modernos, desde un puntero láser hasta un horno microondas. Igual que podemos almacenar agua en un estanque y crear ondas estacionarias en la superficie del agua, podemos confinar luz en un resonador fotónico cuyas paredes sean fuertemente reflectantes. De la misma manera que las ondas de la superficie del agua dependen de la geometría del estanque (forma, profundidad), en una cavidad fotónica se pueden crear modos ópticos específicos cuyas propiedades (color y distribución espacial de la intensidad) se pueden sintonizar cambiando las dimensiones de la cavidad.

Cuando el tamaño de la cavidad es muy pequeño, mucho menor que la longitud de onda de la luz que confina en su interior (nanocavidad en el caso de luz visible), se produce un efecto de intensificación de la luz tan fuerte que influye a los electrones de las paredes de la cavidad. Se produce entonces una mezcla entre fotones y electrones, dando lugar a modos híbridos entre la luz y la materia conocidos como plasmones. Los plasmones en nanocavidades ópticas son extraordinariamente importantes para muchas aplicaciones tales como sensores químicos que permiten la detección de moléculas individuales o la fabricación de nanoláseres que podrían operar sin apenas consumir corriente eléctrica. Sin embargo, la caracterización de estos modos plasmónicos es generalmente muy compleja, debido a que el diminuto tamaño de las cavidades dificulta enormemente su acceso mediante señales externas.

Por otra parte, el efecto túnel es uno de los efectos más característicos, misteriosos y mejor documentados de la Mecánica Cuántica. En un proceso túnel, una partícula (por ejemplo, un electrón) puede atravesar una barrera estrecha (el vacío que separa dos metales a distancias nanométricas) a pesar de no tener suficiente energía para superarla. Es como si pudiéramos pasar de un lado a otro de la gran muralla china sin necesidad de saltarla. Por increíble que parezca, las partículas del mundo cuántico pueden conseguirlo bajo ciertas condiciones. En la mayoría de estos procesos, la energía de la partícula antes y después del proceso es la misma. Sin embargo, en una pequeña fracción de estos eventos, la partícula puede ceder parte de su energía, por ejemplo, generando luz, lo que se conoce como proceso túnel inelástico. Aunque es bien sabido que las propiedades de la luz emitida en el proceso de túnel inelástico entre dos metales dependen de los modos plasmónicos que existen en la cavidad, también depende fuertemente de la distribución energética de las partículas que realizan al proceso túnel. Hasta el momento, había sido imposible distinguir de manera unívoca entre estos dos efectos y, por tanto, extraer la información sobre los modos plasmónicos a partir del análisis de la luz emitida por efecto túnel.

En un artículo publicado esta semana en la prestigiosa revista Nature Communications, investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid, IMDEA Nanociencia e IFIMAC han desarrollado un método para resolver este problema, mediante la determinación simultánea de la distribución energética de los electrones que hacen túnel y de la luz emitida en un Microscopio Túnel de Barrido. Este esfuerzo les ha permitido explotar el efecto túnel para crear resonadores ópticos de dimensiones atómicas y estudiar sus propiedades ópticas, desenmarañando por primera vez las contribuciones debidas a la energía de las partículas que hacen túnel de los efectos originados por los modos plasmónicos en la cavidad. Este trabajo propone una novedosa metodología de caracterización de la interacción luz-materia a tamaño atómico, y puede tener importantes implicaciones tecnológicas para el desarrollo de sensores químicos de moléculas individuales, nuevas fuentes de fotones individuales o entrelazados o nanoláseres que sean activos a potencias de bombeo extremadamente bajas.


Referencia: Martín-Jiménez, A., Fernández-Domínguez, A.I., Lauwaet, K. et al. Unveiling the radiative local density of optical states of a plasmonic nanocavity by STM. Nat Commun 11, 1021 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-14827-7

Fuente: IMDEA Nanociencia

El CSIC impulsa investigaciones en biotecnología, nanotecnología y demografía para atajar el coronavirus

La presidenta del CSIC, Rosa Menéndez, explica en esta tribuna los proyectos científicos del organismo para hacer frente al virus SARS-CoV-2, que causa la pandemia Covid-19

Virus de la familia Coronaviridae. / Luis Enjuanes-CNB-CSIC

En estos momentos tan complicados, desde el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) queremos agradecer a toda la sociedad la confianza que deposita en el sistema público de investigación, y con ello en la ciencia de nuestro país. Queremos informaros de que, en coordinación con las autoridades del Gobierno de España y de las Comunidades Autónomas en las que se ubican nuestros centros, hemos puesto en marcha una serie de iniciativas que estamos seguros que ayudarán a hacer frente a esta situación de crisis de la Covid-19, y sobre todo a reducir su impacto en el futuro. Porque los graves problemas que afronta nuestra sociedad requieren, hoy más que nunca, equipos de investigación que puedan abordarlos de forma coordinada y contando con el conocimiento, la experiencia y los recursos necesarios para ello.

Desde el pasado mes de enero equipos punteros del Centro Nacional de Biotecnología (CNB) del CSIC están liderando, en colaboración con otros grupos de investigación nacionales e internacionales, varios proyectos para conocer en detalle la estructura de este coronavirus, y abordar el desarrollo de vacunas, clave para proteger a la población frente a la infección.

Además del CNB-CSIC, y junto con grupos de investigación de otros centros de toda España, y en colaboración con empresas españolas, se están planteando soluciones a más corto plazo dirigidas al desarrollo y evaluación de agentes antivirales y anticuerpos terapéuticos. La participación de destacados equipos multidisciplinares y el empleo de avanzadas técnicas computacionales contribuirán, sin lugar a duda, a hacerlo posible.

Nuestros grupos del Instituto de Química Avanzada de Cataluña (IQAC-CSIC), el Centro Nacional de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM-CSIC), el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2) y el Instituto de Ciencia de los Materiales de Aragón (ICMA) trabajan en técnicas rápidas para el diagnóstico precoz del virus, mediante técnicas microelectrónicas y nano(bio)tecnológicas para desarrollar avanzados dispositivos biosensores. El objetivo es proporcionar herramientas asequibles para la mayor parte de la población y permitan un diagnóstico rápido y eficaz.

Para conocer la dispersión del virus y su evolución, investigadores del Instituto de Biomedicina de Valencia (IBV-CSIC), del Instituto de Biología Integrativa de Sistemas (I2SysBIO, centro del CSIC-Universidad de Valencia) y del FISABIO (Fundación para la Fomento de la Investigación Sanitaria y Biomédica de la Comunidad Valenciana), en colaboración con hospitales de toda España, están poniendo en marcha un gran proyecto de análisis genómico, clave para entender cómo el virus se está propagando, cómo ha evolucionado y cómo puede hacerlo en el futuro.

Desde el Centro de Biología Molecular Severo Ochoa de Madrid (CBM-CSIC-UAM) se está analizando el aire de los hospitales para detectar la presencia del virus y encontrar soluciones que impidan su propagación.

La inmunización puede ser clave ante un rebrote de la epidemia, y por ello otros grupos de investigación colaboran en el análisis de los datos en la población general.

Conocer los patrones de movilidad ante la pandemia

Desde el Centro de Estudios Avanzados de Blanes (CEAB-CSIC), el Instituto de Física de Sistemas Complejos, IFISC (CSIC-Universidad de las Islas Baleares), y el Instituto de Economía, Geografía y Demografía (IEGD-CSIC) en Madrid, se diseña un ambicioso proyecto para entender los patrones de movilidad en todo el país ante la pandemia. En este estudio se tienen en cuenta aspectos tan importantes como la distribución espacial de la población, su estructura por edad, y la distribución y características de los centros sociosanitarios (hospitales, centros de salud, residencias de mayores). O cómo se han cumplido las medidas de contención.

Esto es solo una pequeña muestra de los más de 50 proyectos que el CSIC está desarrollando, de forma coordinada, para abordar globalmente el problema de esta pandemia. Siempre desde la perspectiva de generar conocimiento y técnicas para encontrar las mejores soluciones para preservar y fortalecer el bienestar y la calidad de vida de nuestra sociedad.

En el CSIC somos más de 11.000 personas en 120 centros distribuidos por la geografía española, que cubren todas las áreas de la ciencia, y trabajamos de forma coordinada para poder abordar desde la investigación problemas tan complejos como este. Unos teletrabajando y otros en los laboratorios. Los centros clave en estos proyectos continúan abiertos y trabajando 24 horas al día para encontrar soluciones lo antes posible.

Rosa Menéndez

Presidenta del Consejo Superior de Investigaciones Científicas


Fuente: CSIC