Nanotecnología

Iluminar lo minúsculo

laboratorios — por el 23/06/2016 a las 13:11

Desde hace tiempo Andrea Bragas junto a un equipo de investigadores trabajan con nanoantenas ópticas metálicas que intensifican y confinan la luz. La concentración de la luz en regiones muy pequeñas del espacio –del orden de la mil millonésima parte del metro – tiene múltiples aplicaciones como la microscopía con altísima resolución o el sensado molecular ultrasensible.

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Laboratorio de Electrónica Cuántica.

Laboratorio de Electrónica Cuántica.

Desde hace mucho tiempo, la luz es utilizada como instrumento de medición en muchísimas áreas de la ciencia y la tecnología. “Es una de las herramientas de sensado y control fundamentales”, sostiene Andrea Bragas, directora de un grupo de investigadores que se dedican al estudio de antenas ópticas que enfocan la luz y vibran en la nanoescala.

En el campo de la óptica y la fotónica, la propagación de luz se controla direccionándola con lentes, espejos, fibras ópticas o elementos difractivos. Pero cuando se trabaja en escalas menores que la longitud de onda, es decir, de unos pocos cientos de nanómetros, eso se hace imposible. En el rango de las radiofrecuencias y las microondas se utilizan antenas para controlar los campos electromagnéticos debajo de la longitud de onda (en este caso en el orden de los centímetros) y para acoplarlos eficientemente a los campos que se propagan llevando la información. Estas antenas son una especie de trasmisor o receptor de energía electromagnética y se usan ampliamente desde las comunicaciones satelitales hasta los “baby-calls”. Tomando como idea las antenas de radiofrecuencia, desde hace aproximadamente diez años se comenzó a trabajar en antenas ópticas, que son objetos cuyos tamaños rondan las decenas de nanómetros. “Los avances en nanotecnología logrados en los últimos años han permitido estructurar materiales con precisión nanométrica y de este modo controlar la distribución de los campos ópticos en la nanoescala”, afirma Bragas. “Una de los grandes objetivos detrás de estos desarrollos es la posibilidad de transmitir información por un sistema totalmente óptico. Los sistemas empleados actualmente requieren la conversión de luz en señales eléctricas y viceversa, lo que constituye un cuello de botella en la velocidad de transmisión de la información. Por ello se busca poder controlar luz con luz y, por ejemplo, lograr cambiar el color y la dirección, enfocar, filtrar, etcétera, lo cual es posible con estas antenas”, agrega.

(De izq. a der.) Patricio Montarón, Maximilano Crespo, Facundo Sánchez, Eduardo Luzzi, Martín Poblet, Fabricio Della Picca y Andrea Bragas.

(De izq. a der.) Patricio Montarón, Maximilano Crespo, Facundo Sánchez, Eduardo Luzzi, Martín Poblet, Fabricio Della Picca y Andrea Bragas.

La concentración de la luz en regiones tan pequeñas del espacio tiene además múltiples aplicaciones como la microscopía con altísima resolución o el sensado molecular ultrasensible. Para detectar moléculas en concentraciones cada vez menores y aun moléculas únicas se necesita incrementar la cantidad de luz con la que se la ilumina pero sólo en la región pequeña en la que se encuentran. “Hace años en nuestro grupo venimos trabajando con nanoantenas metálicas que son hasta el momento las que proveen más intensificación y confinamiento de la luz. Se basan en un fenómeno físico llamado excitación resonante de plasmones. Con ellas logramos hacer microscopía con resolución sub-nanométrica, fabricar sustratos intensificadores para detección ultrasensible de moléculas, generar luz de un color distinto que el incidente, controlar y switchear la emisión de luz en la nanoescala, entre otros efectos”, explica la investigadora.

Pero estas antenas tienen un inconveniente: la concentración de la luz en un volumen muy pequeño produce el calentamiento del metal y de su entorno, lo que afecta la muestra que se quiere analizar. “Hace un par de años se postuló teóricamente que si la antena se fabricaba en un material dieléctrico, por ejemplo silicio, se podría evitar ese problema. Así lo demostramos experimentalmente en un trabajo publicado recientemente en Nature Communications en el que medimos la eficiencia de una antena, hecha con dos disquitos de silicio enfrentados, como intensificadora del campo de la luz, y al mismo tiempo demostramos lo poco que se calienta, dejando inalterada la muestra y la antena misma”, comenta. Las antenas no metálicas intensifican la luz por un proceso físico diferente del que se produce con el metal. El inconveniente que aún presentan es que no alcanzan la intensidad de luz que se consigue con las antenas metálicas. “No obstante, se puede conseguir más concentración de luz modificando parámetros tales como la forma y la distancia entre objetos, y en eso también estamos trabajando. Además, un aspecto muy interesante que estamos explorando, es la aparición de campos magnéticos intensos (que en los metales se ven muy disminuidos frente al campo eléctrico) y con muy poca pérdida, en ciertos lugares de la nanoantena, y con la consecuente aparición de fuerzas magnéticas”, sostiene Bragas.

Sin embargo, el control de la luz no es lo único que estas antenas pueden hacer. Si se las excita con un martillazo óptico (que son los pulsos laser ultracortos) vibran y convierten la luz en oscilaciones mecánicas que luego pueden propagarse por el material sobre el que se fabrican. “De esta manera se obtiene una onda mecánica (elástica) con longitud de onda en los nanómetros, que llamamos hipersonido, viajando por un material. De manera análoga a lo que sucede con el ultrasonido, estas ondas pueden detectar inclusiones, fallas o defectos interiores, pero con una resolución espacial enorme”, se entusiasma Bragas.

 

Laboratorio de Electrónica Cuántica

(Departamento de Física).

1er. piso, Pabellón I. Teléfono: 4576-3426. www.lec.df.uba.ar

Dirección: Andrea V. Bragas

Tesistas de doctorado:  Martín Poblet, Fabricio Della Picca

Estudiantes de grado: Patricio Montarón, Facundo Sánchez

Técnicos: Maximiliano Crespo, Eduardo Luzzi

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