Anar amb compte amb la quàntica

2024/10/23 Babaze Aizpurua, Antton - Materialen Fisika Zentroko ikertzailea Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Sariak
• Fisika

Imagini's els anells d'or, el coll i les arracades que l'àvia portava en el tirador del dormitori, amb aquest característic color daurat brillant. Qualsevol diria que és el color natural de l'or el que imaginem, no és així? Doncs bé, si féssim xixines aquestes joies de l'àvia i les reduciéramos a grandària nanomètrica (fent mil vegades més petites que el gruix d'un cabell), ja no enviarien el daurat brillant, sinó vermell o verd! És més, depenent de la forma de la joia, enviarien l'un o l'altre color! [1] Què és el que provoca aquesta fascinant transformació? Aquest canvi de color es deu a una propietat única de les nanopartícules metàl·liques: la ressonància plasmo-2, és a dir, l'oscil·lació dels electrons en il·luminar una nanopartícula metàl·lica (vegeu la Figura 1).

La llum és una ona electromagnètica, igual que els raigs gamma o les ones de ràdio. La principal característica de la llum és la freqüència, la quantitat d'oscil·lacions que es realitzen per ones electromagnètiques en cada segon. La freqüència juga un paper fonamental en la percepció del món, ja que és ella qui fixa el que entenem per color. Tot cos il·luminat absorbeix part de les ones electromagnètiques i reflecteix una altra part. L'ull rep aquestes ones reflectides i a través d'algunes cèl·lules que tenim en la retina s'envien senyals elèctrics al cervell. El cervell, a continuació, interpreta cada freqüència rebuda com un color. Però seguim amb ressonàncies placistas.

Quan la llum afecta a una nanopartícula de metall, els electrons que estan en ella oscil·len amb la freqüència de la llum, com les ones de la mar, i absorbeixen i dispersen la llum per a crear colors sorprenents. Les oscil·lacions d'aquests electrons són els plasmones. No obstant això, aquest fenomen no és només una curiositat científica, sinó que té profundes implicacions en diferents àrees de la nanotecnologia. No obstant això, encara que sembli estrany, els primers indicis de ressonàncies placistas es poden trobar des de fa més d'un mil·lenni. Un exemple destacable és la Copa de Licurgo del segle IV [3], una copa romana de vidre que sembla verd quan s'il·lumina per davant i vermell per darrere (veure figura 2). Aquest truc per a canviar el color es deu a les nanopartícules d'or i plata inserides en el vidre. En aquella època, és probable que s'hagin introduït involuntàriament nanopartícules metàl·liques, però ara estem aprofitant per a aplicacions modernes. Una relíquia antiga jugant amb la nanotecnologia. Qui ho diria!

Nanoantenas: llum en espais petits!

Un aspecte fascinant de les ressonàncies plasmoicas és la capacitat de captar la llum en zones molt petites, per la qual cosa les nanopartícules de metall poden operar com nanoantena [4]. Pensi en les antenes de ràdio que prenen senyals electromagnètics i les concentren en un receptor; els plasmosis fan una cosa semblant, però amb llum, i ho confinen en grandàries nanomètriques. Aquest confinament permet manipular la llum a una escala molt de menor que la longitud d'ona, la qual cosa resulta fonamental per a aplicacions avançades en òptica i fotònica.

Però la nanoplasmónica no és només transmetre colors bonics. Té aplicacions àmplies i revolucionàries. Des de la millora de l'eficiència de les cèl·lules solars fins a la creació de sensors molt sensibles o la millora de l'emmagatzematge de dades, les ressonàncies placistas estan en el centre de molts avanços tecnològics. Una de les aplicacions més esperades de la nanoplasmónica és el tractament del càncer [5]. La termoteràpia plasmónica aprofita la calor generada per la ressonància plasmo-plásica. Les nanopartícules d'or poden ser canalitzades a cèl·lules canceroses i, quan se sotmeten a l'acció de la llum, les cèl·lules nocives s'escalfen i es destrueixen sense danyar el teixit sa de l'entorn. Aquest tipus de teràpia ofereix un tractament menys invasiu i eficaç enfront dels mètodes tradicionals.

Encara més interessants al costat de les molècules!

Les propietats dels plasmosis es tornen encara més interessants quan interactuen amb les molècules instal·lades en la proximitat. Per exemple, tenen un paper fonamental en la millora de les espectroscòpies moleculars, ja que les ressonàncies placistas poden amplificar els senyals que emeten les molècules, i així els científics poden detectar molècules individuals [6]. Aquesta capacitat és útil, per exemple, per a l'anàlisi química.

En la meva tesi doctoral [7], he investigat la interacció entre les molècules i les nanopartícules metàl·liques, analitzant els impactants fenòmens quàntics que ocorren quan la física clàssica trenca les lleis i el món quàntic assumeix el control.

Ponts electrònics

El primer descobriment sorprenent va ser quan vaig veure que una molècula es col·locava entre dues nanopartícules metàl·liques [8]. Per a això, no vaig usar laboratori, sinó simulacions llargues i pesades per ordinador, més llargues, pesades i divertides, diria jo. Vaig posar la molècula molt prop de dues nanopartícules, a una mitjana de nanòmetres aproximadament, i vaig enviar llum a tot el sistema. Vaig observar que els electrons d'una nanopartícula van absorbir l'energia de la llum i, travessant la molècula, van saltar fins a l'altra nanopartícula (veure figura 3). No existia contacte directe entre la molècula i les nanopartícules, però, malgrat això, els electrons podien moure's entre les nanopartícules. És com si els electrons es teletransportaran d'un lloc a un altre sense contacte físic!

Aquí entra en joc la màgia de la mecànica quàntica. De fet, els electrons es transfereixen mitjançant l'efecte túnel. L'efecte túnel dels electrons és un fenomen quàntic en el qual els electrons poden travessar una espècie de barrera que no poden travessar clàssicament. Es diu que no poden travessar-ho de manera clàssica, ja que els electrons manquen de l'energia necessària per a superar el potencial existent entre el buit i el metall. Aquest efecte no té parangó en el món macroscòpic en el qual estem acostumats i pot donar lloc a una via de conductància a escala nanomètrica, facilitant l'accés a nous dispositius electrònics molt petits però molt eficients. Imagina't una espècie de “pont invisible”, és pura màgia quàntica!

Emissió de llum prohibida

Un altre descobriment important va ser que quan una molècula es col·loca al costat d'una nanopartícula de metall, el color de la llum que emet el sistema complet pot variar completament. En primer lloc, vaig il·luminar només nanopartícules, sense molècules. Per descomptat, de nou utilitzant simulacions per ordinador. Vaig veure que la nanopartícula emetia el color de la llum que jo li enviava, és a dir, utilitzant la llum vermella, la nanopartícula emetia el color vermell, i utilitzant la llum blava, la nanopartícula emetia el color blau.

Però quan posava una molècula al costat de la nanopartícula, era una cosa molt interessant. Quan jo enviés la llum vermella, el sistema podria emetre la llum blava. Aquest fenomen és conseqüència d'un altre efecte quàntic en el qual el sistema absorbeix dos fotons de color vermell (de baixa freqüència) al mateix temps i emet un únic fotó de color blau (de major freqüència). Quantes coses poden fer junts les nanopartícules i les molècules, no!

La influència de la nanoplasmmónica és evident i important en l'actualitat. Qui hauria pogut creure que una cosa tan insignificant pogués tenir un efecte tan significatiu? La pròxima vegada que vegi una peça simple de metall, recordi que sota la seva superfície hi ha un món de colors i possibilitats infinites. Les troballes anunciades en la meva tesi doctoral coincideixen amb aquest fascinant puzle en constant evolució, però ajudaran en l'avanç dels dispositius electrònics nanomètrics? Només el temps ho dirà.

Bibliografia

[1] N. J. Hales, S. Lal, W.S Chang, S. Link, i P. Nordlander (2011) “Plasmons in strongly coupled metallic nanostructures”. Chemical reviews, 111(6), 3913-3961.

[2] L. Novotny i B. Hecht (2012)Principles of nano-optics. Cambridge University Press.

[3] I. Freestone, N. Mr. Saix i C. Higgitt (2007). “The Lycurgus cup—a roman nanotechnology”. Gold bulletin 40 270-277.

[4] L. Novotny i N. Van Hulst (2011). “Antennas for light”. Nature photonics, 5(2), 83-90.

[5] R. Bardhan, S. Lal, A. Joshi i N. J. Hales (2011) “Theranostic nanoshells: from probe design to imaging and treatment of cancer”. Accounts of chemical research, 44(10), 936-946.

[6] F. Benz, M. K. Schmidt, A. Dreismann, R. Chikkaraddy, I. Zhang, A. Demetriadou, ... i J. J. Baumberg (2016) “Single-molecule optomechanics in picocavities”. Science, 354(6313), 726729.

[7] A. Protecció (2022). “Quàntum Many-Bodi Effects in the Optoelectronic Response of Plasmonic Nanostructures and their Coupling to Quàntum Emitters”. Tesi doctoral. Universitat del País Basc.

[8] A. Babaze, R. Esteban, AL Doctor G. Borisov i J. Aizpurua (2021) “Electronic exciton–plasmon coupling in a nanocavity beyond the electromagnetic interaction picture”. Nano Letters, 21(19), 8466-8473.

[9] A. Babaze, R. Esteban, J. Aizpurua i A. El doctor G. Borisov 2020. “Remen-harmonic generation from a quàntum emitter coupled to a metallic nanoantenna”. ACS photonics, 7(3), 701-713.