Un metamaterial plasmónico es un metamaterial que utiliza 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 metálicos. En condiciones específicas, la luz incidente se acopla con los plasmones de superficie para crear ondas electromagnéticas autosostenibles y que se propagan, conocidas como polaritones de plasmón de superficie (SPP). Una vez lanzados, los SPP se ondulan a lo largo de la interfaz metal-dieléctrica. En comparación con la luz incidente, los SPP pueden tener una longitud de onda mucho más corta. [1]
Las propiedades se derivan de la estructura única de los compuestos metal-dieléctricos, con características más pequeñas que la longitud de onda de la luz separadas por distancias de sublongitud de onda. La luz que incide en un metamaterial de este tipo se transforma en polaritones plasmónicos superficiales, que tienen una longitud de onda más corta que la luz incidente.
Los materiales plasmónicos son metales o materiales similares a los metales [2] que presentan una permitividad real negativa . Los materiales plasmónicos más comunes son el oro y la plata. Sin embargo, muchos otros materiales muestran propiedades ópticas similares a las de los metales en rangos de longitud de onda específicos. [3] Varios grupos de investigación están experimentando con diferentes enfoques para fabricar materiales plasmónicos que presenten menores pérdidas y propiedades ópticas ajustables.
Los metamateriales plasmónicos son realizaciones de materiales propuestos por primera vez por Victor Veselago, un físico teórico ruso, en 1967. También conocidos como materiales levógiros o de índice negativo, 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 a ellos, como es el caso de los materiales de índice positivo. [4] [5]
Normalmente, la luz que viaja desde, por ejemplo, el aire hasta el agua se desvía al pasar por la normal (un plano perpendicular a la superficie) y entrar en el agua. Por el contrario, la luz que llega a un material de índice negativo a través del aire no cruzaría la normal, sino que se desviaría en la dirección opuesta.
La refracción negativa se informó por primera vez para frecuencias de microondas e infrarrojos . Un índice de refracción negativo en el rango óptico fue demostrado por primera vez en 2005 por Shalaev et al. (en la longitud de onda de telecomunicaciones λ = 1,5 μm) [6] y por Brueck et al. (en λ = 2 μm) casi al mismo tiempo. [7] En 2007, una colaboración entre el Instituto de Tecnología de California y el NIST informó sobre la refracción negativa de banda estrecha 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 intensos y localizados. Las ondas se limitan a la interfaz entre el metal y el aislante. Este estrecho canal 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 exhiben 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 metamateriales con índice de refracción negativo debería generar una presión negativa que atraiga un objeto hacia la luz. [8]
Las simulaciones por computadora predicen metamateriales plasmónicos con un índice negativo en tres dimensiones. Los métodos de fabricación potenciales incluyen la deposición de películas delgadas multicapa , el fresado con haz de iones enfocado y el autoensamblaje . [8]
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 estos materiales implicaba depositar un termoplástico , conocido como PMMA , sobre una superficie de oro mediante litografía por haz de electrones .
Los metamateriales hiperbólicos se comportan como un metal cuando la luz pasa a través de él en una dirección y como un dieléctrico cuando la luz pasa en la dirección perpendicular, llamada 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 informados mostraron múltiples funciones para detección e imágenes, por ejemplo, libre de difracción, refracción negativa y efectos de resonancia plasmónica 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.
Los primeros metamateriales creados presentan anisotropía en sus efectos sobre los plasmones, es decir, actúan sólo en una dirección.
Más recientemente, los investigadores utilizaron una novedosa técnica de autoplegado para crear una matriz tridimensional de resonadores de anillo dividido que exhibe isotropía cuando se rota 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 curvaran las tiras en anillos, formando los resonadores. Al disponer las tiras en diferentes ángulos entre sí, se logró una simetría cuádruple, lo que permitió que los resonadores produjeran efectos en múltiples direcciones. [13] [14]
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 se cubrió con una película de plata y otra de oro por debajo. La dimensión crítica es el espesor de las capas, que sumadas suman 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]
El grafeno también contiene plasmones superficiales, [15] observados mediante técnicas de microscopía óptica infrarroja de campo cercano [16] [17] y espectroscopia infrarroja . [18] Las posibles aplicaciones de la plasmónica de grafeno involucran frecuencias de terahercios a infrarrojos medios, en dispositivos como moduladores ópticos , fotodetectores y biosensores . [19]
Un metamaterial hiperbólico hecho de nitruro de titanio (metal) y nitruro de aluminio y escandio (dieléctrico) tiene estructuras cristalinas compatibles y puede formar una superred , 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), es 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 mediante epitaxia dentro de una cámara de vacío con una técnica conocida como pulverización catódica con magnetrón . El material presentaba capas ultradelgadas y ultrasuaves con interfaces nítidas. [21]
Las posibles aplicaciones incluyen una " hiperlente plana " que podría permitir a los microscopios ópticos ver objetos tan pequeños como el ADN , sensores avanzados, colectores solares más eficientes, nanoresonadores, computación cuántica y enfoque e imágenes 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]
Una aplicación potencial es la microscopía más allá del límite de difracción . [4] La plasmónica de índice de gradiente se utilizó para producir lentes de Luneburg y Eaton que interactúan con polaritones plasmónicos de superficie en lugar de fotones.
Una superlente teórica podría superar el límite de difracción que impide que las lentes estándar (de índice positivo) resuelvan objetos más pequeños que la mitad de la longitud de onda de la luz visible . Una superlente de este tipo capturaría información espacial que está más allá de la visión 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 interruptores ópticos , moduladores, fotodetectores y emisores de luz direccional. [22]
Otras aplicaciones de prueba de concepto que se están revisando involucran la detección biológica y química de alta sensibilidad . Pueden permitir el desarrollo de sensores ópticos que aprovechen el confinamiento de plasmones de superficie dentro de un cierto tipo de nano-resonador Fabry-Perot. Este confinamiento personalizado permite la detección eficiente de enlaces específicos de analitos químicos o biológicos objetivo utilizando la superposición 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 de dominio temporal de diferencia finita , se fabrican utilizando una combinación de litografía de haz de electrones y galvanoplastia , y se prueban utilizando microscopía óptica y espectroscopía de campo cercano y de campo lejano . [4]
La computación óptica reemplaza las señales electrónicas con dispositivos de procesamiento de luz. [23]
En 2014, los investigadores anunciaron un interruptor óptico de 200 nanómetros y velocidad de terahercios. El interruptor está hecho de un metamaterial que consiste en partículas nanométricas 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 un fotocátodo plasmónico . [25]
Los pulsos láser de femtosegundo liberan electrones 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 alta K. Opera en la región visible e infrarroja cercana del espectro. Genera solo 100 femtojulios/bit/operación, lo que permite que los interruptores estén compactados. [24]
Los metales del grupo del oro (Au, Ag y Cu) se han utilizado como materiales activos directos en células fotovoltaicas y solares. Los materiales actúan simultáneamente como donantes de electrones [26] y de huecos [27] y, por lo tanto, se pueden intercalar 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]
Este artículo incorpora material de dominio público de Three-Dimensional Plasmonic Metamaterials. Instituto Nacional de Estándares y Tecnología .{{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )