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Nueva luz para los plasmones

Xavier Pujol Gebellí

CIENCIA     |    NANOCIENCIAS    |    25/01/2015

La investigación de los plasmones y sus propiedades, uno de los campos emergentes de la física, podría acelerar el paso gracias a la reciente introducción del grafeno como material de estudio en áreas que abarcan nuevos dispositivos ópticos de bioanálisis, conmutación óptica o incluso computación cuántica. De modo general, describe Javier García de Abajo, del ICFO, con el grafeno se abren nuevas oportunidades de controlar la luz mediante la luz con mayor rapidez en distancias prácticamente nanométricas.

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Plasmones moleculares en hidrocarburos policíclicos aromáticos | ICFO


Una parte nada despreciable de los grandes avances tecnológicos que se prevén gracias al desarrollo de la física, pasan por las posibilidades de manipular la luz, sea o no visible. De entre todas las opciones posibles, la que está generando mayores expectativas de un tiempo para esta parte es la plasmónica, un área emergente, aunque conocida y caracterizada a mediados del siglo pasado. El grafeno, hoy por hoy el material estrella por las múltiples aplicaciones que se le predicen, añade ahora nuevas propiedades a la investigación de los plasmones. Estas nuevas propiedades, asegura Javier García de Abajo, investigador del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), podrían suponer nuevas oportunidades de desarrollo tecnológico.

Aunque pueda parecer un fenómeno reciente, la existencia del plasmón se estableció experimentalmente a inicios del siglo XX; sin embargo, hubo que esperar hasta los años sesenta para estar plenamente caracterizado y empezar a entrever su potencial tecnológico. Hace apenas 20 años empezó el despegue del interés por la plasmónica y es justo ahora cuando el salto está siendo "espectacular", explica García de Abajo. La investigación de los plasmones en el grafeno, prosigue, no hace otra cosa que multiplicar su potencial, especialmente en el ámbito teórico, donde se está escribiendo nueva ciencia.

Esa nueva ciencia tiene que ver con la capacidad de manipular la luz con la mayor rapidez posible en mínima unidad de longitud. Esto es, a escala nanométrica. Mediante el plasmón, definido como los movimientos oscilatorios inducidos por la luz en los electrones en la superficie de un metal, se está traduciendo ya en nuevos biosensores, dispositivos miniaturizados para conmutación óptica, de gran interés en tecnología de la información, o en computación cuántica.


De luz y de plasmones

García de Abajo prosiguió su carrera en el Lawrence Berkeley National Laboratory tras formarse en física en San Sebastián. Tras ganar una plaza como profesor de investigación en el CSIC, se incorporó como profesor ICREA al ICFO en 2013. A lo largo de su carrera, la interacción de la luz con materiales a escala nanoscópica ha centrado buena parte de su interés. La traducción de ese interés ha sido el desarrollo de nuevas teoría, sobre todo relativa a plasmones en nanopartículas y nanoestructuras.

Javier García de Abajo: «Los plasmones, al acoplarse a la luz, la capturan y la condensan en una distancia del orden de nanómetros (...) y son importantes en nanofotónica porque lo hacen de forma natural.»
"Los plasmones, al acoplarse a la luz, la capturan y la condensan en una distancia del orden de nanómetros", explica el físico del ICFO. Es precisamente por ello, prosigue, que en la nanofotónica, que es el "control de la luz a escala nanométrica", los plasmones son importantes porque "de forma natural" permiten acoplar la luz a distancias ínfimas.

El avance tecnológico ha facilitado que el uso de los plasmones para la detección de moléculas con una alta precisión sea habitual desde hace prácticamente veinte años. "Se puede detectar incluso una sola molécula", dice, identificando el espectro de la luz que absorbe. "La biodetección con plasmones abrirá la posibilidad a análisis bioquímicos masivos y altamente precisos" en los próximos años.

El control de la luz con luz está dando paso a los llamados conmutadores ópticos en los que se espera que los plasmones jueguen un rol determinante. El principal campo de investigación es en este caso la transmisión de información, como ocurre a través de la fibra óptica. Por otra parte, y dados los tamaños de los que se habla, el plasmón podría explicar fenómenos cuánticos y, gracias a ello, contribuir al desarrollo de la computación cuántica.


El grafeno entra en escena

"El grafeno añade una propiedad nueva", señala García de Abajo. "Además de concentrar la luz a una escala muy pequeña y aumentar su intensidad, permite controlar la frecuencia del plasmón de forma externa aplicando campos eléctricos." Eso significa que aplicando un potencial eléctrico con electrónica convencional se puede cambiar la frecuencia a la que resuena el plasmón. Por decirlo de otra forma, cambiar el color de la luz" que va a interactuar con ese plasmón. De momento, ya se ha se ha conseguido en el infrarrojo y ahora se está intentando con el infrarrojo cercano. Las nuevas propiedades están descritas en un artículo de revisión publicado en la revista ACS Photonics.

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Simulación de la propagación de plasmones en una estructura de nitruro de boro (BN), similar al grafeno en cuanto a capas de átomos | ICFO


Para ilustrar esta propiedad, el investigador pone como ejemplo la conmutación de señales en la fibra óptica, que "debe hacerse muy rápido". Para conseguirlo, a lo largo de la línea de transmisión debe haber dispositivos que permitan conmutar la señal, la luz que lleva la información. En la práctica, indica, en las transmisiones a través de cables submarinos, hay que amplificar la señal óptica cada cierto tiempo, aproximadamente, cada 15 o 20 km. Hoy se emplean dispositivos microelectrónicos con el objetivo de alcanzar "los centenares de miles" de megahercios por segundo necesarios, lo que implica emplear "muchísimos dispositivos". Los plasmones de grafeno prometen hacer lo mismo con dispositivos "muchísimo más pequeños".

Lo mismo podría decirse para el campo de los biosensores, puesto que la detección de moléculas mediante plasmones de grafeno aportaría una versatilidad muchísimo mayor gracias a la posibilidad de cambiar la frecuencia "miles de millones de veces por segundo". "El grafeno representa una ventana más para el diseño de dispositivos con mejores capacidades". Algo así como un nuevo "paisaje de aplicaciones" cuya ciencia se está escribiendo justo ahora.



Nueva ciencia

Los plasmones de grafeno, coinciden los investigadores especializados en nanofotónica, están emergiendo como una "herramienta viable" para la "rápida manipulación eléctrica" de la luz. Modulación electro-óptica, sensores, plasmónica cuántica, acumuladores de luz u otras aplicaciones ahora mismo visionarias, configuran el espectro de este nuevo paisaje científico, el de la respuesta a la luz a escala nanoscópica.

Parte de esta ciencia, explica Javier García de Abajo, ya ha salido de los libros teóricos para entrar en los laboratorios experimentales. Es decir, escrita la teoría, ahora hay que verificarla como primer e imprescindible paso. Y ello ocurre tanto con los plasmones como con el propio grafeno, ambos "enormemente prometedores" pero lejos todavía en el tiempo de pasar a etapas ni siquiera pre-industriales.

Además de la investigación en futuros dispositivos ópticos y biosensores, los dos campos más desarrollados, se está empezando a considerar la posibilidad de usar los plasmones del grafeno en experimentos de óptica cuántica en condiciones ambientales, lo que implicaría una gran reducción en tamaño y condiciones de los actuales equipos experimentales. Por extensión, se abre la puerta al estudio de nuevos paradigmas derivados de la observación de fenómenos cuánticos. "Ya se han hecho algunos experimentos de física cuántica con plasmones", señala el científico.








Xavier Pujol Gebellí

Periodista

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