 |
| Ondas doradas. Esta simulación por ordenador muestra la fuerza del campo eléctrico alrededor de bandas de oro a nanoescala (mostradas en corte transversal) cuando impacta luz infrarroja desde arriba. En los experimentos, los investigadores midieron las interacciones de los plasmones de superficie del oro – ondas de campos electromagnéticos y electrones – con electrones (excitones) en el bloque semiconductor de abajo (no mostrado). |
La luz que impacta una superficie crea tipos muy distintos de perturbaciones dependiendo de si es un metal o un semiconductor. Combinar estos dos materiales en una única nanoestructura podría llevar a dispositivos que se beneficien de las mejores propiedades de cada uno de ellos. Para una mejor comprensión de cómo podría funcionar esto, unos investigadores informan en el ejemplar del 12 de septiembre de Physical Review Letters que han caracterizado el acoplamiento entre excitones – estados electrónicos excitados en semiconductores — y plasmones, que existen en metales. Comprender los detalles de la interacción plasmón-excitón podría ayudar a los investigadores a desarrollar ordenadores ópticos, láser plasmónicos o células solares mejoradas.
Cuando la luz impacta en un metal, puede crear una polarización plasmónica de superficie – a menudo simplemente llamada “plasmón de superficie” – la cual es una onda viajera combinando campos electromagnéticos con oscilaciones electrónicas. Los investigadores están usando diminutas antenas de plasmones para canalizar más luz a las células solares (fotovoltaicas), incrementando su eficiencia. Otros estudiantes de la “plasmónica” esperan desarrollar dispositivos que reemplacen algunas corrientes eléctricas con ondas plasmónicas, debido a que los plasmones pueden, teóricamente, portar la misma información que los pulsos de luz pero apretados en cables de tamaño nanométrico usados en los chips de computadores estándar.
El emergente campo de la plasmónica sufre, sin embargo, el hecho de que los plasmones sobreviven sólo de 10 a 100 femtosegundos antes de decaer en ondas de luz normales o transformarse en vibraciones de átomos. “El gran reto es superar estas pérdidas”, dice Christoph Lienau de la Universidad Carl von Ossietzky en Oldenburg, Alemania. Una solución sería amplificar la señal plasmónica alimentándolo con fotones emitidos por un semiconductor que toque el metal. Un pulso de luz podría excitar un electrón del semiconductor a un estado llamado excitón, el cual entonces caería a un estado base y emitiría un fotón. Pero para construir tal amplificador, dice Lienau, necesitarías saber cómo los excitones y plasmones “hablan entre sí”. Otros han observado esta interacción a través de los cambios en las propiedades ópticas de los semiconductores acoplados a nanoestructuras metálicas, pero nadie ha sido capaz de medir la forma en la que se transfiere la energía entre los dos materiales.
Para estudiar las interacciones entre plasmones y excitones, Lienau y sus colegas diseñaron una nanoestructura “híbrida” cuyos plasmones podían ser controlados con precisión. Empezaron con una lámina de 10 nanómetros de un semiconductor de arseniuro de galio y colocaron sobre el mismo varias bandas de oro paralelas, cada una de ellas de 360 nanómetros de ancho, dejando huecos de 140 nanómetros entre ellos. El equipo iluminó las bandas con un láser infrarrojo y midió cuánta luz era reflejada. A partir de los decrementos en esta reflexión, podrían decir qué parte de la luz se convirtió en plasmones en las superficie de encima y debajo de las bandas de oro. Variando el ángulo de entrada del láser, el equipo podía cambiar la longitud de onda de estos plamones. Cuando ajustaron la longitud de onda cerca de la resonancia de los excitones en el arseniuro de galio a 810 nanómetros, detectaron una bajada aún mayor en la luz reflejada. La implicación fue que los plasmones por debajo de las bandas estaban interactuando con los excitones del semiconductor.
El equipo construyó entonces un modelo matemático de osciladores acoplados para explicar los datos. A partir de esto, calcularon la fuerza de acoplamiento de los excitones y plasmones en 8 milielectrón-voltios, lo cual implica que se necesitan aproximadamente 250 femtosegundos para que un plasmón se transforme en un excitón. Este tiempo de conversión podría recortarse en un factor de 5 aproximadamente optimizando el dispositivo, pero en general, todas las estructuras híbridas tendrán este acoplamiento básico, dice Lienau.
“El trabajo es maravilloso tanto por su rigurosidad y detalle científico como por su potencial impacto”, dice Kobus Kuipers del Instituto FOM para Física Atómica y Molecular (AMOLF) en Amsterdam. Aunque este sistema básicamente convierte plasmones en excitones, podría funcionar en el sentido inverso si una corriente eléctrica o un segundo láser bombease los excitones hacia el semiconductor. Por tanto Kuipers dice que este estudio detallado beneficiará de forma directa a aquellos que trabajan en señales plasmónicas amplificadas para dispositivos, así como a los investigadores que desarrollan un láser plasmónico, también llamado SPASER.
Autor: Michael Schirber
Fecha Original: 16 de septiembre de 2008
Enlace Original
Entradas (RSS)