Resonancias plasmónicas y efecto túnel de electrones entre dos esferas de oro que se “besan”

Podemos leer en “Los ‘besos’ cuánticos cambian el color del vacío,” SINC, 7 Nov 2012, que “el vacío que existe entre dos nanoesferas de oro separadas por menos de 0,35 nanómetros cambia de color de rojo a azul.” La pregunta es obvia, ¿el vacío tiene color? Nos cuentan que Javier Aizpurua (CSIC y Univ. País Vasco), coautor del artículo técnico, compara el fenómeno con un beso: “Cuanto más se acercan las nanoesferas de oro más carga presentan sus superficies y dicha carga sólo [se libera] a través del salto cuántico de sus electrones [por efecto túnel], del mismo modo que la tensión previa a un beso aumenta según se acercan las caras y se libera cuando finalmente se juntan los labios.” La analogía es muy sugerente. Jeremy Baumberg (Univ. Cambridge), autor principal del artículo, explica: “Alinear dos nanoesferas de oro es como cerrar los ojos e intentar que dos agujas sostenidas con los dedos se toquen por ambas puntas”. Según Baumberg, conseguirlo les “ha costado años de duro trabajo” y ha sido posible gracias a los avances en los microscopios de fuerza atómica. Obviamente, un átomo de oro tiene un radio de unos 0,15 nm, luego entre dos esferas separadas por 0,35 nm solo caben dos átomos de oro.

El vacío no tiene color. La “nada” tampoco. Pero también podemos leer Genevieve Maul (Univ. Cambridge), “Quantum kisses change the color of nothing,” EurekAlert!, 7 Nov 2012 [gracias César @EDocet por el enlace]. Y el espacio tampoco tiene color, aunque News Staff, “A Quantum Kiss Between Nanoparticles That Changes The Color Of Space,” Science 2.0, Nov 7th, 2012 [gracias Teguayco @teguayco por el enlace]. Como diría Bill Clinton, ¡es la luz, estúpido! Lo que tiene color en el experimento de Baumberg y sus colegas es la luz. Permíteme que te lo aclare con un esquema del experimento, pero antes, la obligada cita al interesante artículo técnico.

El artículo técnico en liza es Kevin J. Savage, Matthew M. Hawkeye, Rubén Esteban, Andrei G. Borisov, Javier Aizpurua, Jeremy J. Baumberg, “Capturing the quantum regime in tunnelling plasmonics,” Nature, Published online 07 November 2012. Este nuevo artículo experimental confirma el análisis teórico previo de Ruben Esteban, Andrei G. Borisov, Peter Nordlander, Javier Aizpurua, “Bridging quantum and classical plasmonics with a quantum-corrected model,” Nature Communications 3: 825, 08 May 2012.

PS (12 nov 2012): Una explicación muy buena sobre las “nanoantenas que se besan” de manos de Javier Aizpurua, “Besos cuánticos,” RSEF, 12 Nov. 2012.

Se llama plasmónica a la rama de la nanofotónica que estudia la interacción de la luz (radiación electromagnética) con los electrones de conducción de un metal cuando ésta se propaga muy cerca de su superficie (es decir, la luz debe viajar por la interfase metal-dieléctrico). La luz cerca de la superficie del metal se acopla a los electrones y los pone a oscilar de forma colectiva, produciendo una onda localizada llamada plasmón. Los plasmones permiten manipular la luz en escalas nanométricas, por debajo del límite de difracción, por lo que permiten trabajar con la luz confinada en nanocavidades ópticas o entre dos nanopartículas. Los plasmones se pueden describir con las ecuaciones del electromagnetismo clásico cuando su longitud de onda supera 1 nm, pero hay que tener en cuenta efectos cuánticos para distancias más pequeñas. El grupo del español Aizpurua colaboró en el desarrollo de un modelo cuántico corregido (QCM) que tiene en cuenta ciertos efectos cuánticos de forma efectiva, entre ellos la respuesta al efecto túnel de los electrones cuando cerca de la superficie del metal se coloca otro superficie metálica. El nuevo artículo publicado en Nature ha confirmado uno de los efectos predichos por dicha teoría, el cambio bastante brusco del espectro del plasmón debido a los efectos cuánticos al bajar la distancia entre las superficies metálicas por debajo de cierto umbral (el cambio de color del plasmón de rojo a azul del “beso” cuántico). En el experimento se ha utilizado luz láser blanca (entre 450 y 1700  nm), es decir, la luz de un láser de supercontinuo (con polarización paralela al eje que une las dos puntas de oro).

Para distancias entre puntas en las que domina el régimen clásico (50  nm  > d > 10 nm), no ilustradas en esta figura, se observa un pico a 750 nm de gran amplitud (A). Conforme disminuye la distancia, aparece un segundo pico (B), más pequeño y alrededor de 550 nm (azul). Para distancias más pequeñas aún, (10 nm > d > 1 nm) el pico B se desplaza hasta los 650 nm y aparece un tercer pico C a unos 550 nm. Esta figura ilustra lo que pasa a partir de este momento, cuando la distancia entre puntas está por debajo de 1 nm y empiezan a observarse efectos cuánticos. En la región donde el régimen clásico sigue siendo válido (1 nm > d > 0,31 nm), la amplitud del pico A empieza a decrecer hasta alcanzar una amplitud similar a los picos C y B. En este momento se ha producido la transición de color de rojo a azul que comenta el artículo en SINC. Por debajo de esta distancia actúan los efectos cuánticos (d < dQR ≈ 0,31 nm) y los picos A, B y C son sustituidos por dos nuevos picos E (el de mayor amplitud) y D, con E en el azul (unos 620 nm). Los picos D y E están asociados al contacto efectivo entre ambas puntas de oro.

¿Cómo se explica el cambio de color del plasmón entre las dos puntas de oro? Los autores utilizan la teoría de QCM. Para (I) en la figura (d  > dQR), el espectro está dominado por la interacción de campo cercano de las cargas de superficie localizadas por la cavidad y los plasmones descrita por el modelo clásico. Cuando se alcanza la distancia crítica, (II) en la figura (d ≈ dQR), actúan los efectos cuánticos y hay electrones que saltan por efecto túnel de una punta a la otra, lo que modifica la distribución de carga en el plasmón. El efecto túnel está concentrado en la región más cercana entre las puntas (parte roja en la figura). Cuando la distancia se reducen aún más, parte (III) en la figura (d  < dQR), se produce una transferencia de carga por contacto que de nuevo puede ser modelada por el límite clásico.

Lo más importante de este trabajo, de cara a aplicaciones, es que en el límite cuántico (d ≈ dQR) el volumen del plasmón es mínimo, se estima en Vmin ≈ 1.7 × 10−8 λ3 (para el modo A en las figuras con λ = 850 nm). En este límite, el plasmón tienen un volumen mucho más pequeño que los plasmones que se pueden observar en cristales fotónicos y podría ser de gran interés para visualizar estructuras de escala atómica y molecular utilizando fotones de prueba en la escala de los electronvoltios. Esto supondría una nueva aplicación de la plasmónica de gran interés.

4 pensamientos en “Resonancias plasmónicas y efecto túnel de electrones entre dos esferas de oro que se “besan”

  1. Que buena entrada. Me ha recordado una pregunta de si conocen algún estudio sobre efecto túnel y “escapes” en centrales nucleares.

  2. Permiteme que te corrija, Francis, en ” El grupo del español Aizpurua desarrolló un modelo cuántico corregido (QCM) que tiene en cuenta ciertos efectos cuánticos de forma efectiva …”. Aunque nos guste barrer para casa, el modelo ha sido desarrollado en colaboración con el grupo de la universidad de Paris Sud (Andrei G. Borisov) y el CSIC-UPV/EHU (Javier Aizpurua). Así lo dice el Nature Communications: “A.G.B. and J.A. ellaborated the idea behind the quantum-corrected model”. Y lo corroboro ya que he seguido de cerca el desarrollo de este trabajo que ha llevado unos dos años de duro trabajo en lo que a la teoría y cálculos se refiere.

  3. Francis, no sé si conoces este trabajo sobre un metamaterial de silicio que me parece importante. Este tipo de componentes se fabrican para dar lugar a materiales con propiedades que no aparecen de forma espontánea en la naturaleza. Generalmente se trata de cualidades ópticas y electromagnéticas que permiten nuevos avances científicos y tecnológicos. Las nanoesferas de silicio desarrolladas por el equipo son las que han dado lugar a este nuevo metamaterial. Dichas nanoesferas son 100 veces más pequeñas que el grosor de un cabello humano.

    Al ver la foto obtenida por microscopía electrónica se observan nano-esferas, pero una mirada más atenta nos muestra que las esferas están truncadas de modo hexagonal. Tienen un parecido evidente con los átomos del grafeno que están dispuestos en un patrón hexagonal. Me gustaría conocer tu opinión sobre el asunto.

    http://www.agenciasinc.es/Noticias/Cientificos-espanoles-obtienen-un-metamaterial-basado-en-silicio

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