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.
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