Spaser en un dispositivo de dimensiones nanométricas

NICOLÁS PASSARELLI; BUSTOS-MARÚN RAUL; DEPINE RICARDO

La Plata

Congreso; 102da reunión de la asociación de física Argentina; 2017

Las resonancias plasmónicas RP consisten en un acoplamiento entre la radiación y una nanoestructura metálica que da lugar a una distribución inhomogénea de campo electromagnético, con la que se logra una amplificación extraordinaria de los campos a escala nanométrica. Ésta amplificación permite elevar en varios órdenes de magnitud la sensibilidad de espectroscopias ópticas que utilicen las nanoestructuras plasmónicas para la detección molecular. Esta gama de técnicas espectroscópicas proveen detecciones no destructivas de los analitos y, en casos extremos, llegar inclusive a niveles de detección de molécula única. Las gran mayoría de las espectroscopías incrementadas constituyen ejemplos de aplicación de sistemas plasmónicos pasivos, donde la intensidad local de los campos se da solo como consecuencias de la concentración de la radiación incidente; y por lo tanto se ve seriamente limitada por la presencia de pérdidas radiativas y no radiativas (u óhmicas) de energía. Una forma novedosa de superar esta limitación es compensar las pérdidas mediante la interacción del metal con un medio activo. Un medio activo MA puede producir una emisión estimulada de la radiación, produce una ganancia de energía que se traduce en una transferencia no radiativa de energía desde el medio activo a las RP. Esta transferencia de energía resulta crucial ya que aún una compensación parcial de las pérdidas de energía del sistema plasmónico conduce a enormes incrementos de los campos electromagnéticos locales. De hecho, si la compensación de pérdidas es total a una frecuencia de resonancia los campos electromagnéticos divergen provocando una gran dispersión de luz monocromática y unas magnitudes de campo cercano sin precedente. Este fenómeno es conocido como SPASER, del ingles ?surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation?.En este trabajo presentamos una propuesta de dispositivo óptico que diseñamos para poder generar amplificación óptica y acción SPASER en una gran región del espectro electromagnético. Ya que un medio activo dado emite en un rango acotado de frecuencias, el dispositivo debe permitir el intercambio del medio activo. Para esto nuestra propuesta es usar microfluídica para circular un medio activo disuelto por un microtubo de (doble)pared plasmónica. La circulación del medio activo además de posibilitar cambiarlo por otra disolución, permite su renovación y el lavado del dispositivo.El interior del microtubo propuesto es un cilindro de radio de 250nm por donde circula una solución acuosa de algún fluoróforo que hace las veces de medio activo. La pared del tubo es una doble pared de 50nm de espesor, en los 25nm internos está compuesta de sílica y en los 25nm exteriores es de oro, el metal plasmónico. Las dimensiones estudiadas posibilitan la microfluídica del medio activo, para su reciclado, lavado o bien cambiarlo por otro medio activo. Estas dimensiones también son propicias desde el punto de vista electromagnético ya que hay un gran número de resonancias en todo el espectro UV-Visible-NIR y desde el punto de vista energético porque hay mucha mas cantidad del material activo que del plasmónico, por lo que que la acción SPASER se logra para bajas potencias de la radiación incidente. Otra ventaja de esta geometría es que las ecuaciones de Maxwell que describen todo su electromagnetismo tienen una solución analítica. De esta solución se puede demostrar que las divergencias del campo cercano se dan junto a las de la eficiencia de dispersión, que es una propiedad del campo lejano mucho mas liviana para computar. Abordamos el problema de encontrar SPASERS buscando sistemáticamente la ganancia del medio activo y la frecuencia de resonancia en donde se producen divergencias en la eficiencia de dispersión. Esto se realizó para dos polarizaciones ortogonales para demostrar la naturaleza plasmónica del fenómeno. Por todo lo anterior creemos que la estructura plasmónica híbrida propuesta presenta una gran potencialidad para su aplicación a sensores, amplificadores ópticos, o simplemente como fuentes regulables de campo cercano y lejano.