Polaritones de plasmones de superficie lanzados por nanoemisores son fotografiados en el campo cercano – Physics World

Los emisores de luz hechos de materiales 2D y cuasi-2D son actualmente de gran interés en la nano-optoelectrónica porque su falta de apantallamiento dieléctrico significa que sus pares electrón-hueco (excitones) son increíblemente sensibles a su entorno. Esto es ventajoso para fabricar dispositivos como fotosensores de alta respuesta y sensores electroquímicos.

Cuando se deposita directamente sobre la superficie de un metal en un sustrato de metal/dieléctrico, la luz emitida por estos materiales cuasi-2D o "nanoemisores" puede generar polaritones de plasmones superficiales (SPP). Estas son cuasipartículas de materia ligera que existen en una interfaz metal/dieléctrica y se propagan a lo largo de ella como una onda. Un SPP es una onda electromagnética (polaritón) en el dieléctrico que se acopla a una oscilación de carga eléctrica en la superficie del metal (plasmón superficial). Como resultado, los SPP tienen propiedades similares tanto a la materia como a la luz.

El campo electromagnético de un SPP está confinado al campo cercano. Esto significa que existe solo en la interfaz metal/dieléctrico, y su intensidad decae exponencialmente a medida que aumenta la distancia en cada medio. Esto da como resultado una gran mejora del campo eléctrico, lo que hace que los SPP sean increíblemente sensibles a su entorno. Además, la luz de campo cercano se puede manipular en escalas de longitud de longitud de onda inferiores.

Hasta ahora, los sistemas de nanoemisores/SPP se han estudiado ampliamente en el campo óptico lejano, pero las técnicas de imagen utilizadas están limitadas por la difracción y no se pueden visualizar importantes mecanismos de sublongitud de onda. En un nuevo estudio descrito en Nature Communications, investigadores de EE. UU. han utilizado la nanoespectroscopia mejorada con la punta para estudiar los SPP en nanoemisores en el campo cercano. Esto permitió al equipo visualizar las propiedades espaciales y espectrales de los SPP que se propagan. De hecho, su investigación podría conducir a nuevos y emocionantes dispositivos plasmónicos prácticos.

Más grande no siempre es mejor

En los últimos años, la investigación de dispositivos fotónicos y su integración en circuitos ha sido de gran interés en la industria y la academia. Esto se debe a que, en comparación con los dispositivos puramente electrónicos, los dispositivos fotónicos pueden lograr mayores eficiencias energéticas y velocidades de funcionamiento más rápidas.

Sin embargo, hay dos grandes desafíos que deben superarse antes de que la fotónica supere a la electrónica en las aplicaciones principales. Una es que los dispositivos puramente fotónicos son difíciles de conectar entre sí para formar circuitos más grandes; y la otra es que el tamaño de los dispositivos fotónicos no puede ser más pequeño que la mitad de la longitud de onda de la luz que procesan. Este último limita el tamaño de los dispositivos a unos 500 nm, que es mucho más grande que los transistores modernos.

Ambos problemas pueden resolverse mediante la creación de dispositivos que funcionen con SPP, en lugar de luz convencional. Esto se debe a que las propiedades similares a la luz de los SPP permiten un funcionamiento extremadamente rápido del dispositivo, mientras que las propiedades similares a la materia de los SPP permiten una integración más sencilla en los circuitos y el funcionamiento por debajo del límite de difracción.

Sin embargo, para diseñar nanoelectrónica práctica, se necesita una mejor comprensión del comportamiento de los SPP en sublongitudes de onda. Ahora, kiyoung-jo, estudiante de doctorado en la Universidad de Pensilvania, y sus colegas han estudiado SPP utilizando nanoespectroscopia mejorada con punta. Esta técnica combina un espectrómetro de campo lejano con un microscopio de fuerza atómica (AFM).

La punta del AFM recubierta de oro dispersa la luz en el campo cercano, lo que permite obtener imágenes espaciales y espectrales de los SPP con el espectrómetro. La muestra se fabricó recubriendo por rotación una solución de nanoplaquetas cuasi-2D (copos a escala nanométrica del emisor de luz CdSe/Cd_xZn_1-xS) sobre un sustrato de oro y luego depositando un dieléctrico de óxido de aluminio en la parte superior mediante deposición de capa atómica.

Las nanoplaquetas se excitaron con un láser y su posterior emisión de luz lanzó SPP que se propagaron a lo largo de la interfaz de oro/óxido de aluminio. Los investigadores observaron que los SPP podían propagarse hasta cientos de micras y también podían ser reflejados por la punta de oro a lo largo de su camino original. En caso de reflejos, los SPP incidentes y reflejados interfirieron entre sí, formando una onda estacionaria entre la punta y la nanoplaqueta (ver figura: “Reflejos de cuasipartículas”). Experimentalmente, estos se observaron como franjas de forma parabólica.

A medida que aumentaba la distancia entre la punta y la nanoplaqueta, los investigadores encontraron que la intensidad del campo eléctrico variaba periódicamente. Esto confirmó la presencia de una onda estacionaria y demostró cómo la nanoplaqueta y la punta actúan como una especie de cavidad. Las simulaciones por computadora mostraron, sin embargo, que, aunque se requieren tanto la punta como la nanoplaqueta para observar las franjas, el campo electromagnético generado por los SPP está presente con solo uno, lo que confirma que ambos pueden lanzar SPP.

La condensación de polariton emerge de un estado ligado en el continuo

Los investigadores también estudiaron el efecto de las propiedades de la muestra en la emisión de SPP. Por ejemplo, encontraron que las franjas solo ocurrían cuando las nanoplaquetas estaban "en el borde" (perpendiculares al plano del sustrato), y el láser de excitación estaba polarizado de tal manera que su campo magnético era perpendicular al plano de incidencia (polarización TM) . Como resultado, la polarización del láser de excitación se puede usar como un "interruptor" para encender y apagar fácilmente los SPP, lo cual es una característica importante para los dispositivos optoelectrónicos. El equipo también encontró que la forma de las franjas podría usarse para determinar la orientación del dipolo del nanoemisor, con la forma parabólica que sugiere una ligera inclinación (las franjas circulares indicarían un ángulo de exactamente 90° con respecto al plano del sustrato) .

El grosor también desempeñó un papel importante en las propiedades de los SPP, con nanoplaquetas más gruesas que producen campos eléctricos más fuertes y dieléctricos más gruesos que dan como resultado distancias de propagación de SPP más largas. Los estudios que utilizaron diferentes materiales dieléctricos (dióxido de titanio y monocapa de diseleniuro de tungsteno) indicaron que, debido al mayor confinamiento del campo eléctrico, una mayor permitividad dieléctrica también resultó en distancias de propagación más largas. Es importante saber esto, ya que la distancia de propagación se correlaciona directamente con la transferencia de energía por parte de los SPP. Jo resume que "Encontramos, visualizamos y caracterizamos el flujo de energía a escala inferior a la longitud de onda a través de los SPP en las proximidades de los emisores individuales a nanoescala".

El equipo ha demostrado que la nanoespectroscopia mejorada con la punta es una herramienta poderosa para el estudio del campo cercano en los sistemas SPP, lo que permite determinar varias propiedades, como la orientación del dipolo y las implicaciones del diseño de la muestra. "La capacidad de obtener imágenes y examinar fenómenos fotónicos de sublongitud de onda en semiconductores excitónicos hace que [la microscopía óptica de barrido de campo cercano] sea una herramienta valiosa para estudios fundamentales, así como para la caracterización de semiconductores", dice Jariwala profundo, quien es el autor correspondiente en el artículo que describe el trabajo. Tal comprensión mejorada de los sistemas SPP será invaluable en el desarrollo de dispositivos nano-optoelectrónicos prácticos.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/surface-plasmon-polaritons-launched-by-nano-emitters-are-imaged-in-the-near-field/