Ter coidado coa cuántica

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

• Sariak
• Fisika

Imaxínese os aneis de ouro, o pescozo e os pendentes que a avoa levaba no tirador do dormitorio, con esa característica cor dourada brillante. Calquera diría que é a cor natural do ouro o que imaxinamos, non é así? Pois ben, si fixésemos trizas estas xoias da avoa e as reduciéramos a tamaño nanométrico (facendo mil veces máis pequenas que o grosor dun cabelo), xa non enviarían o dourado brillante, senón vermello ou verde! É máis, dependendo da forma da xoia, enviarían un ou outra cor! [1] Que é o que provoca esta fascinante transformación? Este cambio de cor débese a unha propiedade única das nanopartículas metálicas: a resonancia plasmo-2, é dicir, a oscilación dos electróns ao iluminar unha nanopartícula metálica (véxase a Figura 1).

A luz é unha onda electromagnética, do mesmo xeito que os raios gamma ou as ondas de radio. A principal característica da luz é a frecuencia, a cantidade de oscilacións que se realizan por ondas electromagnéticas en cada segundo. A frecuencia xoga un papel fundamental na percepción do mundo, xa que é ela quen fixa o que entendemos por cor. Todo corpo iluminado absorbe parte das ondas electromagnéticas e reflicte outra parte. O ollo recibe estas ondas reflectidas e a través dalgunhas células que temos na retina envíanse sinais eléctricos ao cerebro. O cerebro, a continuación, interpreta cada frecuencia recibida como unha cor. Pero sigamos con resonancias placistas.

Cando a luz afecto a unha nanopartícula de metal, os electróns que están nela oscilan coa frecuencia da luz, como as ondas do mar, e absorben e dispersan a luz para crear cores sorprendentes. As oscilacións destes electróns son os plasmones. Con todo, este fenómeno non é só unha curiosidade científica, senón que ten profundas implicacións en diferentes áreas da nanotecnoloxía. Con todo, aínda que pareza estraño, os primeiros indicios de resonancias placistas pódense atopar desde fai máis dun milenio. Un exemplo destacable é a Copa de Licurgo do século IV [3], unha copa romana de vidro que parece verde cando se ilumina por diante e vermello por detrás (ver figura 2). Este truco para cambiar a cor débese ás nanopartículas de ouro e prata inseridas no vidro. Naquela época, é probable que se introduciron involuntariamente nanopartículas metálicas, pero agora estamos a aproveitar para aplicacións modernas. Unha reliquia antiga xogando coa nanotecnoloxía. Quen o diría!

Nanoantenas: luz en espazos pequenos!

Un aspecto fascinante das resonancias plasmoicas é a capacidade de captar a luz en zonas moi pequenas, polo que as nanopartículas de metal poden operar como nanoantena [4]. Pense nas antenas de radio que toman sinais electromagnéticos e concéntranas nun receptor; os plasmosis fan algo parecido, pero con luz, e confínano en tamaños nanométricos. Este confinamento permite manipular a luz a unha escala moito menor que a lonxitude de onda, o que resulta fundamental para aplicacións avanzadas en óptica e fotónica.

Pero a nanoplasmónica non é só transmitir cores bonitas. Ten aplicacións amplas e revolucionarias. Desde a mellora da eficiencia das células solares até a creación de sensores moi sensibles ou a mellora do almacenamento de datos, as resonancias placistas están no centro de moitos avances tecnolóxicos. Unha das aplicacións máis esperadas da nanoplasmónica é o tratamento do cancro [5]. A termoterapia plasmónica aproveita a calor xerada pola resonancia plasmo-plásica. As nanopartículas de ouro poden ser canalizadas a células cancerosas e, cando se someten á acción da luz, as células nocivas quéntanse e destrúense sen danar o tecido san da contorna. Este tipo de terapia ofrece un tratamento menos invasivo e eficaz fronte aos métodos tradicionais.

Aínda máis interesantes xunto ás moléculas!

As propiedades dos plasmosis vólvense aínda máis interesantes cando interactúan coas moléculas instaladas na proximidade. Por exemplo, teñen un papel fundamental na mellora das espectroscopias moleculares, xa que as resonancias placistas poden amplificar os sinais que emiten as moléculas, e así os científicos poden detectar moléculas individuais [6]. Esta capacidade é útil, por exemplo, para a análise química.

Na miña tese doutoral [7], investiguei a interacción entre as moléculas e as nanopartículas metálicas, analizando os impactantes fenómenos cuánticos que ocorren cando a física clásica rompe as leis e o mundo cuántico asume o control.

Pontes electrónicas

O primeiro descubrimento sorprendente foi cando vin que unha molécula se colocaba entre dúas nanopartículas metálicas [8]. Para iso, non usei laboratorio, senón simulacións longas e pesadas por computador, máis longas, pesadas e divertidas, diría eu. Puxen a molécula moi preto de dúas nanopartículas, a unha media de nanómetros aproximadamente, e enviei luz a todo o sistema. Observei que os electróns dunha nanopartícula absorberon a enerxía da luz e, atravesando a molécula, saltaron até a outra nanopartícula (ver figura 3). Non existía contacto directo entre a molécula e as nanopartículas, pero, a pesar diso, os electróns podían moverse entre as nanopartículas. É coma se os electróns se teletransportaran dun lugar a outro sen contacto físico!

Aquí entra en xogo a maxia da mecánica cuántica. De feito, os electróns transfírense mediante o efecto túnel. O efecto túnel dos electróns é un fenómeno cuántico no que os electróns poden atravesar unha especie de barreira que non poden atravesar clasicamente. Dise que non poden atravesalo de forma clásica, xa que os electróns carecen da enerxía necesaria para superar o potencial existente entre o baleiro e o metal. Este efecto non ten parangón no mundo macroscópico no que estamos afeitos e pode dar lugar a unha vía de conductancia a escala nanométrica, facilitando o acceso a novos dispositivos electrónicos moi pequenos pero moi eficientes. Imaxínache unha especie de “ponte invisible”, é pura maxia cuántica!

Emisión de luz prohibida

Outro descubrimento importante foi que cando unha molécula se coloca xunto a unha nanopartícula de metal, a cor da luz que emite o sistema completo pode variar completamente. En primeiro lugar, iluminei só nanopartículas, sen moléculas. Por suposto, de novo utilizando simulacións por computador. Vin que a nanopartícula emitía a cor da luz que eu enviáballe, é dicir, utilizando a luz vermella, a nanopartícula emitía a cor vermella, e utilizando a luz azul, a nanopartícula emitía a cor azul.

Pero cando puña unha molécula á beira da nanopartícula, era algo moi interesante. Cando eu enviase a luz vermella, o sistema podería emitir a luz azul. Este fenómeno é consecuencia doutro efecto cuántico no que o sistema absorbe dous fotóns de cor vermella (de baixa frecuencia) ao mesmo tempo e emite un único fotón de cor azul (de maior frecuencia). Cantas cousas poden facer xuntos as nanopartículas e as moléculas, non!

A influencia da nanoplasmmónica é evidente e importante na actualidade. Quen podería crer que unha cousa tan insignificante puidese ter un efecto tan significativo? A próxima vez que vexa unha peza simple de metal, lembre que baixo a súa superficie hai un mundo de cores e posibilidades infinitas. Os achados anunciados na miña tese doutoral coinciden con este fascinante puzzle en constante evolución, pero axudarán no avance dos dispositivos electrónicos nanométricos? Só o tempo dirao.

Bibliografía

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

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

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

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

[5] R. Bardhan, S. Lal, A. Joshi e 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, E. Zhang, A. Demetriadou, ... e 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”. Tese doutoral. Universidade do País Vasco.

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