Así como una antena de radio capta una transmisión del aire y concentra energía en una canción, los átomos individuales pueden recolectar y concentrar energía luminosa en una señal fuerte y localizada que los investigadores pueden utilizar para estudiar los elementos fundamentales de la materia.

Cuanto más potente sea la ganancia, mejor será la antena. Pero los investigadores nunca han podido explotar el potencial enorme aumento de intensidad de algunas «antenas atómicas» en sólidos simplemente porque eran sólidos.

«La mayor parte del tiempo, cuando los átomos están en sólidos, interactúan con el medio ambiente. Hay mucho desorden, son sacudidos por fonones y encuentran otras perturbaciones que reducen la coherencia de la señal», dijo la Escuela de Ciencias Moleculares Pritzker de la Universidad de Chicago. Asistente de ingeniería. . Profe. Álex Alto.

En un nuevo artículo publicado el viernes Fotónica de la naturaleza, un equipo multiinstitucional liderado por High Lab ha resuelto este problema. Han utilizado vacantes de germanio en diamantes para crear una ganancia de energía óptica de seis órdenes de magnitud, un régimen que es difícil de lograr utilizando estructuras de antena convencionales.

Esta mejora de un millón de veces en la energía da como resultado lo que el artículo llama una antena óptica de «patrón» y proporciona una nueva herramienta que abre áreas de investigación completamente nuevas.

«Esto no es sólo un gran avance en la tecnología. También es un gran avance en la física fundamental», dijo el candidato a doctorado de PME, Zixi Li, primer autor del artículo hasta el momento. «Aunque es bien sabido que un dipolo atómico excitado puede producir un cuasi hilo de enorme intensidad, nadie lo había demostrado experimentalmente antes».

De la teoría a la práctica

Una característica clave de una antena óptica es que produce un dipolo electrónico oscilante cuando se excita en resonancia.

«Las antenas ópticas se basan en estructuras que interactúan con campos electromagnéticos y absorben o emiten luz en resonancias específicas, como los electrones que se mueven entre niveles de energía en estos centros de color», dijo High.

Un electrón oscila a medida que pasa de un estado excitado a un estado fundamental y concentra una cantidad relativamente enorme de energía, lo que convierte a un dipolo óptico atómico en un sólido en una excelente antena, en teoría.

Esta capacidad se preservaba teóricamente por el hecho de que los átomos estaban en sólidos, sujetos a todos los empujones, interferencias electrónicas y ruido general que conlleva estar en una estructura fuertemente cerrada. Los centros de color (pequeños defectos en diamantes y otros materiales con interesantes propiedades cuánticas) proporcionaron al equipo una solución.

«Durante los últimos siete u ocho años, se ha observado que ciertos tipos de centros de color pueden ser inmunes a estos efectos ambientales», dijo High.

Esto abre interesantes posibilidades de investigación, dijo el coautor Darrick Chang del Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona, ​​España.

«Creo que el aspecto más interesante del centro de color no es sólo la mejora del campo, sino el hecho de que la luz emitida es de naturaleza mecánica cuántica», dijo. «Esto hace que resulte intrigante considerar si una ‘antena óptica cuántica’ puede tener un conjunto diferente de funcionalidades y mecanismos de trabajo en comparación con una antena óptica clásica».

Pero convertir esa teoría en una antena práctica llevó años, colaboración con investigadores de todo el mundo y orientación teórica del Grupo Galli de la Universidad de Chicago.

«La colaboración entre teoría, cálculos y experimentos iniciada por Alex High no sólo ayudó a comprender e interpretar la ciencia convencional, sino que también abrió nuevas direcciones de investigación en informática», dijo el profesor de PME Liew Family. Guilia Galli, coautora. en papel. «La colaboración ha sido extremadamente fructífera.»

«La magia del centro de color»

Las imágenes a nivel atómico son una combinación de ganancia y ancho de banda: la intensidad de la señal y la cantidad de señal que se puede estudiar. Por esta razón, el coautor Xinghan Guo cree que la nueva técnica complementa, en lugar de reemplazar, los métodos existentes.

«Ofrecemos una ganancia mucho mayor, pero nuestro ancho de banda es más estrecho», afirmó Guo, quien recientemente completó su doctorado en PME y ahora es investigador postdoctoral en Yale. «Si tiene una señal altamente selectiva que tiene un ancho de banda estrecho pero necesita mucha ganancia, puede acudir a nosotros».

La nueva técnica ofrece otras ventajas además de una señal más potente. Aunque los métodos existentes, como la espectroscopia Raman de molécula única y FRET, amplifican la señal rociándola con luz, este método solo requiere nanovatios de energía para activarse. Esto significa una señal fuerte sin decoloración, calentamiento ni fluorescencia de fondo debido al exceso de luz.

A diferencia de las antenas plasmónicas convencionales, las vacantes de germanio tampoco disipan energía cuando están en uso.

«La magia del centro de color es que tiene forma de punto y elimina la pérdida de material plasmónico, lo que le permite conservar su mejora extrema del campo», dijo Chang.

Lo interesante de High no es el nuevo tipo de antena, sino los posibles descubrimientos que harán.

«Lo interesante es que se trata de una característica universal», dijo High. «Podemos integrar estos centros de color en una amplia gama de sistemas y luego podemos usarlos como antenas locales para desarrollar nuevos procesos que creen nuevos dispositivos y nos ayuden a comprender cómo funciona el universo».



Source link