La aparente magia de estas estructuras proviene de la capacidad de sus superficies para soportar ondas colectivas de electrones, llamados plasmons, con la misma frecuencia que las ondas de luz pero con un confinamiento mucho más ajustado.Las estructuras de guía de luz se miden en nanómetros, o mil millones de metros, 100,000 veces más delgadas que un cabello humano.
"Estos sistemas de cubos a nanoescala permiten el confinamiento extremo de la luz en ubicaciones específicas y el control sintonizable de su energía", dijo Kevin Roccapriore de Ornl, primer autor de un estudio publicado en la revista Small Small."Es una forma de conectar señales con escalas de longitud muy diferentes."
La hazaña puede ser crítica para la computación cuántica y óptica.Las computadoras cuánticas codifican información con bits cuánticos, o qubits, determinados por un estado cuántico de una partícula, como su giro.Los qubits pueden almacenar muchos valores en comparación con el valor único almacenado por un bit clásico.
Luz - Radiación electromagnética que se propaga por partículas elementales sin masas llamadas fotones - reemplaza a los electrones como mensajero en computadoras ópticas.Debido a que los fotones viajan más rápido que los electrones y no generan calor, las computadoras ópticas podrían tener un rendimiento y una eficiencia energética superior a las computadoras clásicas.
Las tecnologías futuras pueden usar lo mejor de ambos mundos.
advertisement"La luz es la forma preferida de comunicarse con qubits, pero no puede conectar los contactos directamente", dijo el autor principal Sergei Kalinin de Ornl."El problema con la luz visible es que sus longitudes de onda varían de aproximadamente 380 nanómetros para violeta a alrededor de 700 nanómetros para rojo.Eso es demasiado grande porque queremos hacer dispositivos solo unos pocos nanómetros de tamaño.Este trabajo tiene como objetivo crear un marco para mover la tecnología más allá de la ley de Moore y la electrónica clásica.Si intentas poner 'luz' y 'pequeño' juntos, ahí es exactamente donde entra en juego Plasmonics."
Y si hay un gran futuro en los plasmónicos, el logro liderado por ORNL puede ayudar a superar un desajuste de tamaño de señal que amenaza la integración de componentes hechos de diferentes materiales.Esos componentes híbridos deberán "hablar" entre sí en dispositivos optoelectrónicos de próxima generación.Los plasmónicos pueden cerrar la brecha.
Los fenómenos plasmónicos se observaron por primera vez en metales, que son conductores debido a sus electrones libres.El equipo de ORNL usó cubos hechos de un semiconductor transparente que se comporta como un metal: óxido de indio dopado con estaño y flúor.
El hecho de que el cubo sea un semiconductor es la clave para su sintonización con energía.La energía de una onda de luz está relacionada con su frecuencia.Cuanto mayor sea la frecuencia, más corta es la longitud de onda.Las longitudes de onda de la luz visible aparecen en el ojo humano como colores.Debido a que un semiconductor se puede dopar, es decir, se puede agregar una pequeña impureza, su longitud de onda se puede cambiar en el espectro.
Los cubos del estudio eran cada 10 nanómetros de ancho, que es mucho más pequeño que la longitud de onda de la luz visible.Sintetizado en la Universidad de Texas en Austin por Shin-Hum Cho y Delia Milliron, los cubos se colocaron en un detergente para evitar el agrupamiento y el pipeteado en un sustrato, donde se autoensamblan en una matriz bidimensional.Una cáscara de detergente rodeaba cada cubo, espaciándolos de manera uniforme.Después de que se retiró el detergente, las matrices se enviaron a ORNL.
advertisement"Que los cubos no se tocan directamente es importante para el comportamiento colectivo", dijo Roccapriore, quien organizó los cubos en diversas estructuras."Cada cubo tiene su propio comportamiento de plasmón.Cuando los reunimos en geometrías como un nanocable, hablan entre sí y producen nuevos efectos que generalmente no se ven en geometrías similares que no están formadas por elementos individuales."
El estudio se basa en un trabajo previo para esculpir estructuras tridimensionales tan pequeñas como un nanómetro con un haz de electrones."El documento actual demuestra que el efecto plasmónico, así como la estructura, puede ser esculpido", dijo Roccapriore."Al final del día, estamos interesados en la onda de electrones: ¿dónde está y cuál es su energía? Estamos controlando esas dos cosas."
Kalinin agregó: "Queremos hacer la transición de usar lo que existe en la naturaleza por casualidad para fabricar materiales con las respuestas correctas.Podemos tomar un sistema de cubos, iluminarlo y canalizar la energía en pequeños volúmenes localizados exactamente donde queremos que estén."
El proyecto fue natural para Roccapriore, quien realizó una gran cantidad de litografía de haz de electrones en la escuela de posgrado e incluso construyó una máquina en su garaje para fabricar estructuras impresas en 3D.En ORNL, experimentando con el haz de un microscopio electrónico, ajustó su corriente a cambiar intencionalmente de imagen a modo de modificación.Descubrió que podía eliminar trozos de cubos o cubos enteros de una matriz para hacer objetos estampados a voluntad.También descubrió que, al igual que la adición de elementos químicos, permite el ajuste de las energías de cubos, también lo hace la eliminación selectiva de elementos químicos.Dicha precisión atómica es posible con la microscopía electrónica de transmisión de barrido o STEM.
La clave para caracterizar el comportamiento plasmónico dentro de los cubos individuales y entre los conjuntos de cubos colectivos fue una técnica llamada espectroscopía de pérdida de energía de electrones.Utiliza un instrumento de tallo con un haz de electrones filtrado a energías dentro de un rango estrecho.El haz pierde energía a medida que sus electrones pasan a través de la muestra, interactúan con los electrones en el material y transfieren un poco de energía al sistema por plasmons emocionantes..
La espectroscopía de pérdida de energía de electron proporciona información profunda sobre la física exótica y los fenómenos cuánticos relacionados con el comportamiento plasmónico ", dijo el coautor Andrew Lupini de Ornl, quien ayudó a mapear las energías de los electrones en los cubos y la serie de cubos.Lupini es uno de los desarrolladores del tallo corregido por la aberración, que hizo posible los avances pioneros."La espectroscopía de pérdida de energía de electrones nos permite analizar las respuestas plasmónicas en tiempo real a medida que se esculpen los cubos.Podemos descubrir relaciones entre los arreglos de los cubos y sus propiedades plasmónicas."
Los científicos planean crear una biblioteca de relaciones entre materiales, estructuras y propiedades plasmónicas.Ese nuevo conocimiento proporcionará la comprensión fundamental necesaria para eventualmente producir estructuras en masa que pueden dirigir el flujo de luz en los nanocircuitos plasmónicos.Según Roccapriore, "la idea es comprender las relaciones con el aprendizaje automático y luego automatizar el proceso."
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