Tener cuidado con la cuántica

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

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Imagínese los anillos de oro, el cuello y los pendientes que la abuela llevaba en el tirador del dormitorio, con ese característico color dorado brillante. Cualquiera diría que es el color natural del oro lo que imaginamos, ¿no es así? Pues bien, si hiciéramos trizas estas joyas de la abuela y las reduciéramos a tamaño nanométrico (haciendo mil veces más pequeñas que el grosor de un cabello), ¡ya no enviarían el dorado brillante, sino rojo o verde! ¡Es más, dependiendo de la forma de la joya, enviarían uno u otro color! [1] ¿Qué es lo que provoca esta fascinante transformación? Este cambio de color se debe a una propiedad única de las nanopartículas metálicas: la resonancia plasmo-2, es decir, la oscilación de los electrones al iluminar una nanopartícula metálica (véase la Figura 1).

La luz es una onda electromagnética, al igual que los rayos gamma o las ondas de radio. La principal característica de la luz es la frecuencia, la cantidad de oscilaciones que se realizan por ondas electromagnéticas en cada segundo. La frecuencia juega un papel fundamental en la percepción del mundo, ya que es ella quien fija lo que entendemos por color. Todo cuerpo iluminado absorbe parte de las ondas electromagnéticas y refleja otra parte. El ojo recibe estas ondas reflejadas y a través de algunas células que tenemos en la retina se envían señales eléctricas al cerebro. El cerebro, a continuación, interpreta cada frecuencia recibida como un color. Pero sigamos con resonancias placistas.

Cuando la luz afecta a una nanopartícula de metal, los electrones que están en ella oscilan con la frecuencia de la luz, como las olas del mar, y absorben y dispersan la luz para crear colores sorprendentes. Las oscilaciones de estos electrones son los plasmones. Sin embargo, este fenómeno no es solo una curiosidad científica, sino que tiene profundas implicaciones en diferentes áreas de la nanotecnología. Sin embargo, aunque parezca extraño, los primeros indicios de resonancias placistas se pueden encontrar desde hace más de un milenio. Un ejemplo destacable es la Copa de Licurgo del siglo IV [3], una copa romana de vidrio que parece verde cuando se ilumina por delante y rojo por detrás (ver figura 2). Este truco para cambiar el color se debe a las nanopartículas de oro y plata insertadas en el vidrio. En aquella época, es probable que se hayan introducido involuntariamente nanopartículas metálicas, pero ahora estamos aprovechando para aplicaciones modernas. Una reliquia antigua jugando con la nanotecnología. ¡Quién lo diría!

¡Nanoantenas: luz en espacios pequeños!

Un aspecto fascinante de las resonancias plasmoicas es la capacidad de captar la luz en zonas muy pequeñas, por lo que las nanopartículas de metal pueden operar como nanoantena [4]. Piense en las antenas de radio que toman señales electromagnéticas y las concentran en un receptor; los plasmosis hacen algo parecido, pero con luz, y lo confinan en tamaños nanométricos. Este confinamiento permite manipular la luz a una escala mucho menor que la longitud de onda, lo que resulta fundamental para aplicaciones avanzadas en óptica y fotónica.

Pero la nanoplasmónica no es solo transmitir colores bonitos. Tiene aplicaciones amplias y revolucionarias. Desde la mejora de la eficiencia de las células solares hasta la creación de sensores muy sensibles o la mejora del almacenamiento de datos, las resonancias placistas están en el centro de muchos avances tecnológicos. Una de las aplicaciones más esperadas de la nanoplasmónica es el tratamiento del cáncer [5]. La termoterapia plasmónica aprovecha el calor generado por la resonancia plasmo-plásica. Las nanopartículas de oro pueden ser canalizadas a células cancerosas y, cuando se someten a la acción de la luz, las células nocivas se calientan y se destruyen sin dañar el tejido sano del entorno. Este tipo de terapia ofrece un tratamiento menos invasivo y eficaz frente a los métodos tradicionales.

¡Aún más interesantes junto a las moléculas!

Las propiedades de los plasmosis se vuelven aún más interesantes cuando interactúan con las moléculas instaladas en la proximidad. Por ejemplo, tienen un papel fundamental en la mejora de las espectroscopias moleculares, ya que las resonancias placistas pueden amplificar las señales que emiten las moléculas, y así los científicos pueden detectar moléculas individuales [6]. Esta capacidad es útil, por ejemplo, para el análisis químico.

En mi tesis doctoral [7], he investigado la interacción entre las moléculas y las nanopartículas metálicas, analizando los impactantes fenómenos cuánticos que ocurren cuando la física clásica rompe las leyes y el mundo cuántico asume el control.

Puentes electrónicos

El primer descubrimiento sorprendente fue cuando vi que una molécula se colocaba entre dos nanopartículas metálicas [8]. Para ello, no usé laboratorio, sino simulaciones largas y pesadas por ordenador, más largas, pesadas y divertidas, diría yo. Puse la molécula muy cerca de dos nanopartículas, a una media de nanómetros aproximadamente, y envié luz a todo el sistema. Observé que los electrones de una nanopartícula absorbieron la energía de la luz y, atravesando la molécula, saltaron hasta la otra nanopartícula (ver figura 3). No existía contacto directo entre la molécula y las nanopartículas, pero, a pesar de ello, los electrones podían moverse entre las nanopartículas. ¡Es como si los electrones se teletransportaran de un lugar a otro sin contacto físico!

Aquí entra en juego la magia de la mecánica cuántica. De hecho, los electrones se transfieren mediante el efecto túnel. El efecto túnel de los electrones es un fenómeno cuántico en el que los electrones pueden atravesar una especie de barrera que no pueden atravesar clásicamente. Se dice que no pueden atravesarlo de forma clásica, ya que los electrones carecen de la energía necesaria para superar el potencial existente entre el vacío y el metal. Este efecto no tiene parangón en el mundo macroscópico en el que estamos acostumbrados y puede dar lugar a una vía de conductancia a escala nanométrica, facilitando el acceso a nuevos dispositivos electrónicos muy pequeños pero muy eficientes. ¡Imagínate una especie de “puente invisible”, es pura magia cuántica!

Emisión de luz prohibida

Otro descubrimiento importante fue que cuando una molécula se coloca junto a una nanopartícula de metal, el color de la luz que emite el sistema completo puede variar completamente. En primer lugar, iluminé sólo nanopartículas, sin moléculas. Por supuesto, de nuevo utilizando simulaciones por ordenador. Vi que la nanopartícula emitía el color de la luz que yo le enviaba, es decir, utilizando la luz roja, la nanopartícula emitía el color rojo, y utilizando la luz azul, la nanopartícula emitía el color azul.

Pero cuando ponía una molécula al lado de la nanopartícula, era algo muy interesante. Cuando yo enviara la luz roja, el sistema podría emitir la luz azul. Este fenómeno es consecuencia de otro efecto cuántico en el que el sistema absorbe dos fotones de color rojo (de baja frecuencia) al mismo tiempo y emite un único fotón de color azul (de mayor frecuencia). ¡Cuántas cosas pueden hacer juntos las nanopartículas y las moléculas, no!

La influencia de la nanoplasmmónica es evidente e importante en la actualidad. ¿Quién hubiera podido creer que una cosa tan insignificante pudiera tener un efecto tan significativo? La próxima vez que vea una pieza simple de metal, recuerde que bajo su superficie hay un mundo de colores y posibilidades infinitas. Los hallazgos anunciados en mi tesis doctoral coinciden con este fascinante puzzle en constante evolución, pero ¿ayudarán en el avance de los dispositivos electrónicos nanométricos? Sólo el tiempo lo dirá.

Bibliografía

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

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

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

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

[5] R. Bardhan, S. Lal, A. Joshi y N. J. Halas (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, Y. Zhang, A. Demetriadou, ... y J. J. Baumberg (2016) “Single-molecule optomechanics in picocavities”. Science, 354(6313), 726729.

[7] A. Protección (2022). “Quantum Many-Body Effects in the Optoelectronic Response of Plasmonic Nanostructures and their Coupling to Quantum Emitters”. Tesis doctoral. Universidad del País Vasco.

[8] A. Babaze, R. Esteban, A El doctor G. Borisov y 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 y A. El doctor G. Borisov 2020. “Reman-harmonic generation from a quantum emitter coupled to a metallic nanoantenna”. ACS photonics, 7(3), 701-713.