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 se trata de estructuras dieléctricas como nanoantenas o componentes metálicos, que pueden transportar y enfocar la luz a través de polaritones de plasmón superficial . [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 superficiales , plasmones superficiales localizados alrededor de objetos metálicos a nanoescala y las aberturas a nanoescala y puntas afiladas a nanoescala utilizadas en la microscopía óptica de barrido de campo cercano (SNOM o NSOM) [2] [3] [4] y microscopía de efecto túnel de barrido fotoasistida . [5]
Los investigadores de nanofotónica persiguen una amplia variedad de objetivos, en campos que van desde la bioquímica hasta la ingeniería eléctrica y la energía libre de carbono. Algunos de estos objetivos se resumen a continuación.
Si la luz se puede comprimir en un volumen pequeño, un pequeño detector puede absorberla y detectarla. Los fotodetectores pequeños tienden a tener una variedad de propiedades deseables que incluyen bajo ruido, alta velocidad y bajo voltaje y potencia. [6] [7] [8]
Los láseres pequeños tienen varias propiedades deseables para la comunicación óptica, incluido un umbral de corriente bajo (lo que ayuda a la eficiencia energética) y una modulación rápida [9] (lo que significa una mayor transmisión de datos). Los láseres muy pequeños requieren cavidades ópticas por debajo de la longitud de onda . Un ejemplo son los spasers , la versión de plasmón superficial de los láseres.
Los circuitos integrados se realizan mediante fotolitografía , es decir, exposición a la luz. Para fabricar transistores muy pequeños, la luz debe enfocarse en imágenes extremadamente nítidas. Utilizando diversas técnicas, como la litografía de inmersión y las fotomáscaras de cambio de fase , ha sido posible crear imágenes mucho más finas que la longitud de onda; por ejemplo, dibujando líneas de 30 nm con luz de 193 nm. [10] También se han propuesto técnicas plasmónicas para esta aplicación. [11]
La grabación magnética asistida por calor es un enfoque nanofotónico para aumentar la cantidad de datos que puede almacenar una unidad de disco magnético. Requiere un láser para calentar una pequeña área de sublongitud de onda del material magnético antes de escribir datos. El cabezal de escritura magnético tendría componentes ópticos metálicos para concentrar la luz en el lugar correcto.
La miniaturización en optoelectrónica , por ejemplo la miniaturización de transistores en circuitos integrados , ha mejorado su velocidad y coste. Sin embargo, los circuitos optoelectrónicos sólo pueden miniaturizarse si los componentes ópticos se contraen junto con los componentes electrónicos. Esto es relevante para la comunicación óptica en un 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 a menudo funcionan mejor cuando la luz se absorbe muy cerca de la superficie, porque los electrones cerca de la superficie tienen más posibilidades de ser recolectados y porque el dispositivo se puede hacer más delgado, lo que reduce el costo. Los investigadores han investigado una variedad de 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 medicamentos contra el cáncer por exocitosis y, por lo tanto, evitar la toxicidad en los tejidos sistémicos normales y células. [14]
Uso de nanofotónica para crear intensidades máximas altas : si una determinada cantidad de energía luminosa se comprime en un volumen cada vez más pequeño ("punto caliente"), la intensidad en el punto caliente se hace cada vez mayor. Esto es especialmente útil en óptica no lineal ; un ejemplo es la dispersión Raman mejorada en superficie . También permite mediciones espectroscópicas sensibles incluso de moléculas individuales ubicadas en el punto caliente, a diferencia de los métodos de espectroscopia tradicionales que toman un promedio de millones o miles de millones de moléculas. [15] [16]
Uno de los objetivos de la nanofotónica es construir la llamada " 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 que tiene 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 escanear en trama una punta muy afilada o una apertura muy pequeña sobre la superficie de la que se va a tomar la imagen. [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 por debajo de la longitud de onda a nanoescala. En 1987, Guerra (mientras trabajaba en Polaroid Corporation) logró esto con un microscopio de túnel de fotones de campo completo sin barrido. [18] En otro ejemplo, la interferometría de doble polarización tiene una resolución de picómetro en el plano vertical sobre la superficie de la guía de ondas. [ cita necesaria ]
Se utilizó nanofotónica en forma de estructuras ópticas de campo cercano por debajo de la longitud de onda, ya sea separadas del medio de grabación o integradas en el medio de grabación, para lograr densidades de grabación óptica mucho más altas de lo 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 exhiben cambios de 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 sólo la parte ultravioleta normal del espectro solar, sino también el azul visible de alta energía. En 2008, Thulin y Guerra publicaron modelos que mostraban no solo un cambio de banda prohibida, sino también un cambio en el borde de la banda y una mayor movilidad de los agujeros 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 el silicio en el que se realizan estructuras a nanoescala de dispositivos optoelectrónicos sobre sustratos de silicio y que son capaces de controlar tanto la luz como los electrones. Permiten combinar funcionalidades electrónicas y ópticas en un solo dispositivo. Estos dispositivos encuentran una amplia variedad de aplicaciones fuera del entorno académico, [21] por ejemplo, espectroscopia de infrarrojo medio y de armónicos , 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 e interconectores ópticos , amplificadores ópticos , fotodetectores , elementos de memoria, cristales fotónicos , etc. Un área de particular interés son las nanoestructuras de silicio capaces de generar energía eléctrica de manera eficiente 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 metálicas pueden ser cientos de veces más pequeñas que la longitud de onda del espacio libre. Por una razón similar, la luz visible puede limitarse a la nanoescala a través de estructuras metálicas de tamaño nanométrico, como estructuras, puntas, espacios, etc. de tamaño nanométrico. Muchos diseños nanoópticos parecen circuitos comunes de microondas o ondas de radio, pero encogidos. reducido en un factor de 100.000 o más. Después de todo, las ondas de radio, las microondas y la luz visible son radiaciones electromagnéticas; sólo difieren en la frecuencia. En igualdad de condiciones, un circuito de microondas reducido en 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 plasmónicos . Se basa fundamentalmente en que la permitividad del metal es muy grande y negativa. A frecuencias muy altas (cercanas y superiores a la frecuencia del plasma , generalmente 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 fabricado dipolos nanoópticos y antenas Yagi-Uda siguiendo esencialmente el mismo diseño que el utilizado para las antenas de radio. [26] [27]
Guías de ondas metálicas de placas paralelas (líneas de cinta), elementos de circuito con constante concentrada, como inductancia y capacitancia (en frecuencias de luz visible , siendo los valores de esta última del orden de femtohenrios y attofaradios, respectivamente) y adaptación de impedancia de antenas dipolo a Las líneas de transmisión , todas técnicas familiares en frecuencias de microondas , son algunas de las áreas actuales de desarrollo de la nanofotónica. Dicho esto, existen una serie de diferencias muy importantes entre la nanoóptica y los circuitos de microondas reducidos. Por ejemplo, a frecuencia óptica, los metales se comportan mucho menos como conductores ideales y también exhiben efectos interesantes relacionados con los plasmones, como la inductancia cinética y la resonancia de plasmones superficiales . Asimismo, 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 características muy finas y bordes afilados.
En la nanofotónica se estudian a menudo fuentes de radiación fuertemente localizadas (emisores dipolares como, por ejemplo, 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 ondas de la luz en el espacio libre forman campos evanescentes. Los componentes evanescentes existen sólo en el campo cercano del emisor y se desintegran sin transferir energía neta al campo lejano . Por lo tanto, la información por debajo de la longitud de onda del emisor se ve borrosa; esto da como resultado el límite de difracción en los sistemas ópticos. [28]
La nanofotónica se ocupa principalmente de las ondas evanescentes del campo cercano. Por ejemplo, una superlente (mencionada anteriormente) evitaría la desintegración de la onda evanescente, permitiendo imágenes de mayor resolución.
Los metamateriales son materiales artificiales diseñados para tener propiedades que tal vez no se encuentren en la naturaleza. Se crean fabricando una serie de estructuras mucho más pequeñas que una longitud de onda. El pequeño (nano) tamaño de las estructuras es importante: de esta manera, la luz interactúa con ellas como si formaran un medio uniforme y continuo, en lugar de dispersarse en las estructuras individuales.
