La nanofotónica o nanoóptica es el estudio del comportamiento de la luz a 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 plasmónicos de superficie . [1]
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).
Los componentes ópticos normales, como lentes y microscopios, generalmente no pueden enfocar la luz a escalas nanométricas ( sublongitud de onda profunda ), debido al límite de difracción ( criterio de Rayleigh ). Sin embargo, es posible comprimir la luz a una escala nanométrica utilizando otras técnicas como, por ejemplo, plasmones de superficie , plasmones de superficie localizados alrededor de objetos metálicos a escala nanométrica y las aberturas a escala nanométrica y las puntas afiladas a escala nanométrica utilizadas en la microscopía óptica de barrido de campo cercano (SNOM o NSOM) [2] [3] [4] y la microscopía de efecto túnel de barrido asistida por fotones . [5]
Los investigadores en nanofotónica persiguen objetivos muy diversos, en campos que van desde la bioquímica hasta la ingeniería eléctrica y la energía libre de carbono. A continuación se resumen algunos de estos objetivos.
Si la luz se puede comprimir en un volumen pequeño, puede ser absorbida y detectada por un detector pequeño. Los fotodetectores pequeños tienden a tener una variedad de propiedades deseables, entre ellas, bajo nivel de ruido, alta velocidad y bajo voltaje y potencia. [6] [7] [8]
Los láseres pequeños tienen varias propiedades deseables para la comunicación óptica , entre ellas, una corriente de umbral baja (que ayuda a la eficiencia energética) y una modulación rápida [9] (que significa más transmisión de datos). Los láseres muy pequeños requieren cavidades ópticas de sublongitud de onda . Un ejemplo son los espaciadores , la versión de plasmón de superficie de los láseres.
Los circuitos integrados se fabrican mediante fotolitografía , es decir, exposición a la luz. Para fabricar transistores muy pequeños, es necesario enfocar la luz para formar imágenes extremadamente nítidas. Mediante diversas técnicas, como la litografía por inmersión y las fotomáscaras de desplazamiento de fase , se han podido crear imágenes mucho más finas que la longitud de onda (por ejemplo, dibujar líneas de 30 nm utilizando luz de 193 nm). [10] También se han propuesto técnicas plasmónicas para esta aplicación. [11]
La grabación magnética asistida por calor es un método nanofotónico para aumentar la cantidad de datos que puede almacenar una unidad de disco magnético. Requiere un láser para calentar una zona diminuta, de longitud de onda inferior, del material magnético antes de escribir los datos. El cabezal de escritura magnético tendría componentes ópticos metálicos para concentrar la luz en la ubicación correcta.
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 reducen junto con los componentes electrónicos. Esto es relevante para la comunicación óptica en 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). [7] [12]
Las células solares suelen funcionar mejor cuando la luz se absorbe muy cerca de la superficie, tanto porque los electrones cerca de la superficie tienen más posibilidades de ser captados como porque el dispositivo puede hacerse más fino, lo que reduce el coste. Los investigadores han estudiado diversas técnicas nanofotónicas para intensificar la luz en las ubicaciones óptimas dentro de una célula solar. [13]
La nanofotónica también ha sido implicada en ayudar a la liberación controlada y bajo demanda de terapias contra el cáncer como la adriamicina desde antenas ópticas nanoporosas para atacar el cáncer de mama triple negativo y mitigar los mecanismos de resistencia a los fármacos contra el cáncer por exocitosis y, por lo tanto, evitar la toxicidad para los tejidos y células sistémicas normales. [14]
Uso de nanofotónica para crear picos de intensidad elevados : si una cantidad dada de energía luminosa se comprime en un volumen cada vez más pequeño ("punto caliente"), la intensidad en el punto caliente se hace cada vez más grande. Esto es especialmente útil en óptica no lineal ; un ejemplo es la dispersión Raman mejorada por la superficie . También permite mediciones espectroscópicas sensibles de incluso moléculas individuales ubicadas en el punto caliente, a diferencia de los métodos espectroscópicos tradicionales que toman un promedio de millones o miles de millones de moléculas. [15] [16]
Un objetivo de la nanofotónica es construir una denominada " superlente ", que utilizaría metamateriales (ver más abajo) u otras técnicas para crear imágenes que sean más precisas que el límite de difracción ( sublongitud de onda profunda ). En 1995, Guerra demostró esto al obtener imágenes de una rejilla de silicio con líneas y espacios de 50 nm con iluminación con una longitud de onda de 650 nm en el aire. [17] Esto se logró acoplando una rejilla de fase transparente con líneas y espacios de 50 nm (metamaterial) con un objetivo de microscopio de inmersión (superlente).
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 barrido de trama con una punta muy afilada o una abertura muy pequeña sobre la superficie que se va a fotografiar. [2]
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 escala nanométrica. En 1987, Guerra (mientras trabajaba en la Polaroid Corporation) logró esto con un microscopio de efecto túnel de fotones de campo completo sin barrido. [18] En otro ejemplo, la interferometría de polarización dual tiene una resolución de picómetros en el plano vertical sobre la superficie de la guía de ondas. [ cita requerida ]
La nanofotónica en forma de estructuras ópticas de campo cercano de longitud de onda inferior, ya sea separadas del medio de grabación o integradas en el mismo, se utilizó para lograr densidades de grabación óptica mucho más altas que las que permite el límite de difracción. [19] Este trabajo comenzó en la década de 1980 en Polaroid Optical Engineering (Cambridge, Massachusetts) y continuó bajo licencia en Calimetrics (Bedford, Massachusetts) con el apoyo del Programa de Tecnología Avanzada del NIST.
En 2002, Guerra (Nanoptek Corporation) demostró que las estructuras nanoópticas de semiconductores presentan cambios en la banda prohibida debido a la tensión inducida. En el caso del dióxido de titanio, las estructuras del orden de menos de 200 nm de ancho de media altura absorberán no solo en la parte ultravioleta normal del espectro solar, sino también en el azul visible de alta energía. En 2008, Thulin y Guerra publicaron un modelo que mostraba no solo un cambio en la banda prohibida, sino también un cambio en el borde de la banda y una mayor movilidad de huecos para una menor recombinación de carga. [20] El dióxido de titanio diseñado con banda prohibida se utiliza como fotoánodo en la producción fotolítica y fotoelectroquímica eficiente de combustible de hidrógeno a partir de la luz solar y el agua.
La fotónica de silicio es un subcampo de la nanofotónica basado en silicio en el que las estructuras a escala nanométrica de los dispositivos optoelectrónicos se realizan sobre sustratos de silicio y que son capaces de controlar tanto la luz como los electrones. Permiten acoplar la funcionalidad electrónica y óptica en un solo dispositivo. Dichos dispositivos encuentran una amplia variedad de aplicaciones fuera del ámbito académico, [21] por ejemplo, espectroscopia de infrarrojo medio y de sobretonos , puertas lógicas y criptografía en un chip, etc. [21]
A partir de 2016, la investigación en fotónica de silicio abarcó moduladores de luz, guías de ondas ópticas e interconectores , amplificadores ópticos , fotodetectores , elementos de memoria, cristales fotónicos , etc. Un área de particular interés son las nanoestructuras de silicio capaces de generar eficientemente energía eléctrica a partir de la luz solar (por ejemplo, para paneles solares ). [22]
Los metales son una forma eficaz de confinar la luz muy por debajo de la longitud de onda. Esto se utilizó originalmente en 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, puntas, huecos, etc. de tamaño nanométrico. Muchos diseños de nanoóptica se parecen a los circuitos comunes de microondas o de ondas de radio, pero reducidos 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; solo difieren en frecuencia. Entonces, en igualdad de condiciones, un circuito de microondas reducido por un factor de 100.000 se comportará de la misma manera, pero a una frecuencia 100.000 veces mayor. [23] [24] 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 llama plasmónica . Se basa fundamentalmente en el hecho de que la permitividad del metal es muy grande y negativa. A frecuencias muy altas (cercanas y superiores a la frecuencia del plasma , normalmente 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 construido dipolos nanoópticos y antenas Yagi-Uda siguiendo esencialmente el mismo diseño que los utilizados para las antenas de radio. [26] [27]
Las guías de ondas de placas paralelas metálicas (líneas de banda), los elementos de circuitos de constante concentrada como la inductancia y la capacitancia (a frecuencias de luz visible , siendo los valores de esta última del orden de femtohenrios y attofaradios, respectivamente) y la adaptación de impedancia de antenas dipolares a líneas de transmisión , todas técnicas conocidas a frecuencias de microondas , son algunas de las áreas actuales de desarrollo de la nanofotónica. Dicho esto, existen varias diferencias muy importantes entre la nanoóptica y los circuitos de microondas a escala reducida. 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 de plasmón superficial . Del mismo modo, los campos ópticos interactúan con los semiconductores de una manera fundamentalmente diferente a la de las microondas.
La transformada de Fourier de una distribución de campo espacial consta de diferentes frecuencias espaciales . Las frecuencias espaciales más altas corresponden a las características más finas y a 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 del espacio libre de la luz forman campos evanescentes. Los componentes evanescentes existen solo en el campo cercano del emisor y se desintegran sin transferir energía neta al campo lejano . Por lo tanto, la información sublongitud de onda del emisor se difumina; esto da como resultado el límite de difracción en los sistemas ópticos. [28]
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 con mayor resolución.
Los metamateriales son materiales artificiales diseñados para tener propiedades que no se encuentran en la naturaleza. Se crean fabricando 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 dispersarse en las estructuras individuales.
