23/Sep/08

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La luz y los electrones cooperan

La luz que incide en una superficie crea perturbaciones de muy diferentes clases, que dependen de si es un metal o un semiconductor. Pero combinar estos dos materiales en un única nanoestructura podría conducir a dispositivos que se beneficien de las mejores propiedades de cada uno

Para comprender mejor cómo podría funcionar, los investigadores informaron en la edición del 12 de septiembre de las Physical Review Letters que ahora han caracterizado el acoplamiento entre los excitones -estados de electrones excitados en los semiconductores- y los plasmones, que existen en metales.

Al comprender los detalles de la interacción plasmón-excitón podría ayudar a los investigadores a desarrollar computadoras ópticas, rayos láser de plasmones, o celdas solares mejoradas.

Ondas doradas. Esta simulación de computadora muestra la fuerza del campo eléctrico que rodea las tiras doradas a nanoescala (en una sección transversal) cuando es golpeado con luz infrarroja desde arriba. En los experimentos, los investigadores midieron las interacciones de los plasmones de una superficie dorada -ondas de campos electromagnéticos y electrones- con los electrones (excitones) en la faja semiconductora por debajo (no mostrada).

Cuando la luz incide en un metal, puede crear una polarización superficial de plasmones -a menudo llamada simplemente "plasmón superficial"- que es una onda que viaja y combina los campos electromagnéticos mediante las oscilaciones de los electrones. Los investigadores están usando diminutas antenas de plasmón para conducir más luz a las celdas solares (fotovoltaicas), para incrementar su eficiencia. Otros que investigan sobre "plasmónica" esperan desarrollar dispositivos que reemplacen a algunas corrientes eléctricas con ondas de plasmón, porque los plasmones puede, en teoría, llevar tanta información como los pulsos de luz, pero comprimida en cables de dimensiones nanométricas usados en los chips estándar de computadora.

El emergente campo de la plasmónica se ve afectado, sin embargo, por el hecho de que los plasmones sólo sobreviven de 10 a 100 femtosegundos antes de decaer en ondas normales de luz o se transformen en vibraciones atómicas. "El gran desafío es superar estas pérdidas", dice Christoph Lienau de la Carl von Ossietzky University en Oldenburg, Alemania. Una solución sería amplificar la señal del plasmón alimentándolo con fotones emitidos por un semiconductor que toque el metal. Un pulso luminoso podría excitar un electrón de un semiconductor a un estado denominado excitón, que volvería luego al estado base y emitiría el fotón. Pero para construir ese amplificador, dice Lienau, se necesita saber cómo "hablan entre sí" los excitones y los plasmones. Otros han observado esta interacción a través de los cambios en las propiedades ópticas de semiconductores acoplados a nanoestructuras metálicas, pero nadie ha sido capaz de medir con precisión cómo se transfiere la energía entre los dos materiales.

Para estudiar las interacciones plasmón-excitón, Lienau y sus colegas diseñaron una nanoestructura "híbrida" cuyos plasmones podían ser precisamente controlados. Empezaron con una gruesa tajada de 10 nanómetros del semiconductor arsenide de galio y luego pusieron encima algunas tiras de oro, cada una de 360 nanómetros de ancho, dejando espacios de 140 nanómetros entre ellas. El equipo dirigió un rayo láser infrarrojo a las tiras y midió la luz que se reflejaba. De la disminución en este reflejo, pudieron distinguir que algo de luz era convertida en plasmones en las superficies superiores e inferiores de las tiras de oro. Al variar el ángulo del rayo láser, el equipo pudo cambiar la longitud de onda de estos plasmones. Cuando ajustaron esa longitud de onda hasta cerca de la resonancia con el excitón en el arsenide de galio -en 810 nanómetros- detectaron una disminución adicional en la luz reflejada. Eso implica que los plasmones al fondo de las tiras estaban interactuando con excitones en el semiconductor.

El equipo entonces construyó un modelo matemático de osciladores acoplados para explicar sus datos. En éste calcularon la fuerza de acoplamiento excitón-plasmón que era de 8 mili-electronvoltios, que implica que se necesita unos 250 femtosegundos para que un plasmón se transforme en un excitón. Este tiempo de conversión podría ser acortado 5 veces si se optimiza el dispositivo, pero en general, todas las estructuras híbridas tendrán este acoplamiento básico, dice Lienau.

"El trabajo es hermoso, tanto por su detalle científico y minuciosidad como también por su impacto potencial", dice Kobus Kuipers del Instituto de Física Atómica y Molecular del FOM (AMOLF) en Ámsterdam. Aunque este sistema convierte esencialmente plasmones en excitones, podría ser operado en el otro sentido si una corriente eléctrica o un segundo rayo láser bombeara excitones en el semiconductor. De modo que Kuipers dice que este estudio detallado beneficiará directamente a los que trabajan para amplificar señales de plasmones para dispositivos, y también a los investigadores que desarrollan un rayo láser de plasmones, a veces llamado SPASER.

Fuente: Focus. Aportado por Graciela Lorenzo Tillard