Así como una antena de radio capta una transmisión del aire y concentra la energía en una canción, los átomos individuales pueden recolectar y concentrar la energía luminosa en una señal fuerte y localizada que los investigadores pueden utilizar para estudiar los componentes básicos de la materia. para
Cuanto mayor sea la ganancia, mejor será la antena. Pero los investigadores nunca han podido aprovechar el aumento de intensidad potencialmente grande de algunas “antenas atómicas” en materiales sólidos simplemente porque eran sólidos.
“La mayoría de las veces, cuando hay átomos en sólidos, interactúan con el medio ambiente. Hay mucho desorden, vibran con fonones y encuentran otras perturbaciones”, dijo el asistente de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago que reduce la coherencia de la señal. Asistente de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de UChicago. . Profesor Alex High.
En un nuevo artículo publicado el viernes Fotónica de la naturaleza, Un equipo multiinstitucional liderado por HighLab ha abordado el problema. Han utilizado centros vacantes de germanio en diamantes para aumentar la energía óptica en seis órdenes de magnitud, un sistema difícil de alcanzar con estructuras de antena convencionales.
Este aumento de energía de un millón de veces crea lo que el artículo llama una antena óptica “ideal” y proporciona una nueva herramienta que abre campos de investigación completamente nuevos.
“Esto no es sólo un gran avance en la tecnología, sino también un gran avance en la física fundamental”, dijo Zixi Li, candidato a doctorado del PMEP y coautor del artículo. “Aunque es bien sabido que un dipolo atómico excitado puede producir un archivo cercano con gran intensidad, nadie lo ha demostrado antes en un experimento”.
De la teoría a la práctica
La principal característica de una antena óptica es que forma un dipolo electrónico oscilante cuando se excita en resonancia.
“Las antenas ópticas son esencialmente estructuras que interactúan con campos electromagnéticos y absorben o emiten luz en ciertas resonancias, como los electrones que se mueven entre niveles de energía en estos centros de color”, dijo Hai.
El electrón oscila a medida que pasa entre un estado excitado y el estado fundamental y concentra una cantidad relativamente grande de energía, creando un dipolo óptico atómico en una antena sólida, en teoría.
Lo que teóricamente mantenía esta capacidad era el hecho de que los átomos estaban en un sólido, todos sujetos a choques, interferencias electrónicas y el ruido general que proviene de ser parte de una estructura muy compacta. 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 protegerse de estos efectos ambientales”, dijo High.
Esto abre interesantes oportunidades de investigación, dijo el coautor Derek Chang del Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona, España.
“Para mí, el aspecto más interesante del núcleo de color no es sólo la mejora del campo, sino también el hecho de que la luz emitida es intrínsecamente mecánica cuántica”, afirmó. “Esto hace que sea interesante considerar si las ‘antenas ópticas cuánticas’ pueden tener funciones y mecanismos de trabajo diferentes a los de las antenas ópticas clásicas”.
Pero convertir esa teoría en una antena viable tomó años, colaboración con investigadores de todo el mundo y la orientación teórica del grupo Galli de la Universidad de Chicago.
“La colaboración entre teoría, computación y experimentos iniciada por Alex Haigh ha hecho contribuciones significativas no sólo a la comprensión e interpretación de la ciencia básica, sino que también ha abierto nuevas líneas de investigación en el lado computacional”. Sobre el papel “la colaboración ha sido sumamente productiva”.
‘La Magia del Centro Ring’
La obtención de imágenes a nivel atómico es una combinación de amplificación y ancho de banda: la intensidad de la señal y la cantidad de señal que se puede estudiar. Debido a esto, el coautor Xinghan Guo ve la nueva técnica como un complemento, en lugar de un reemplazo, de las técnicas existentes.
“Ofrecemos mucha amplificación, pero nuestro ancho de banda es bajo”, afirmó Gu, quien recientemente completó su doctorado en PME y ahora es investigador postdoctoral en Yale. “Si tiene una señal muy selectiva que tiene un ancho de banda estrecho pero necesita mucha amplificación, puede acudir a nosotros”.
La nueva técnica ofrece otros beneficios más allá de una señal más potente. Si bien las técnicas actuales, como la espectroscopia Raman de molécula única y FRET, amplifican la señal bombardeándola con luz, esta técnica requiere solo nanovatios de energía para activarse. Esto significa una señal fuerte sin decoloración, calentamiento ni fluorescencia de fondo que produzca luz excesiva.
Los centros de vacantes de germanio tampoco disipan energía durante su uso, a diferencia de las antenas plasmónicas convencionales.
“La magia del centro de color es que es simultáneamente puntual y evita pérdidas de material plasmónico, lo que le permite mantener su mejora extrema del campo”, dijo Chang.
Para High, lo emocionante no es la nueva forma de la antena, sino los posibles descubrimientos que hará.
“Lo interesante es que esta es una característica común”, dijo High, que puede mejorar los procesos que crean nuevos dispositivos y nos ayudan a comprender cómo funciona el universo.
