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| Microscopio electrónico ultrarrápido en el Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne. Crédito: Argonne National Laboratory. |
Todos los que han estado alguna vez en el Gran Cañón pueden identificarse con las fuertes sensaciones que produce estar cerca de uno de los bordes de la naturaleza. Del mismo modo, los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) han descubierto que las nanopartículas de oro actúan de forma inusual cuando se acercan al borde de una hoja de carbono de un átomo de grosor, llamada grafeno. Esto podría tener grandes implicaciones para el desarrollo de nuevos sensores y dispositivos cuánticos.
Este descubrimiento ha sido posible gracias a un microscopio electrónico ultrarrápido (UEM) recientemente establecido en el Centro de Materiales a Nanoescala (CNM) de Argonne, una instalación de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE. El UEM permite la visualización e investigación de fenómenos a nanoescala y en plazos inferiores a una trillonésima de segundo. Este descubrimiento podría suponer un gran avance en el creciente campo de la plasmónica, que consiste en que la luz incide en la superficie de un material y desencadena ondas de electrones, conocidas como campos plasmónicos.
Desde hace años, los científicos persiguen el desarrollo de dispositivos plasmónicos con una amplia gama de aplicaciones, desde el procesamiento de información cuántica hasta la optoelectrónica (que combina componentes electrónicos y basados en la luz) y los sensores con fines biológicos y médicos. Para ello, acoplan materiales bidimensionales de grosor atómico, como el grafeno, con partículas metálicas de tamaño nanométrico. Para entender el comportamiento plasmónico combinado de estos dos tipos diferentes de materiales es necesario comprender exactamente cómo se acoplan.
En un estudio reciente de Argonne, los investigadores utilizaron microscopía electrónica ultrarrápida para observar directamente el acoplamiento entre las nanopartículas de oro y el grafeno.
"Los plasmones de superficie son oscilaciones electrónicas inducidas por la luz en la superficie de una nanopartícula o en la interfaz de una nanopartícula y otro material", explica Haihua Liu, nanocientífico de Argonne. "Cuando hacemos brillar una luz sobre la nanopartícula, se crea un campo plasmónico de corta duración. Los electrones pulsados en nuestra UEM interactúan con este campo de corta duración cuando los dos se superponen, y los electrones ganan o pierden energía. A continuación, recogemos los electrones que ganan energía utilizando un filtro de energía para mapear las distribuciones del campo plasmónico alrededor de la nanopartícula".
Al estudiar las nanopartículas de oro, Liu y sus colegas descubrieron un fenómeno inusual. Cuando la nanopartícula se asentaba sobre una lámina plana de grafeno, el campo plasmónico era simétrico. Pero cuando la nanopartícula se colocaba cerca de un borde de grafeno, el campo plasmónico se concentraba con mucha más fuerza cerca de la región del borde.
"Se trata de una nueva forma de pensar en cómo podemos manipular la carga en forma de campo plasmónico y otros fenómenos utilizando la luz a escala nanométrica", dijo Liu. "Con las capacidades ultrarrápidas, no se sabe lo que podemos ver al modificar diferentes materiales y sus propiedades".
Todo este proceso experimental, desde la estimulación de la nanopartícula hasta la detección del campo plasmónico, se produce en menos de unos cientos de cuatrillonésimas de segundo.
"El CNM es único en albergar una UEM de acceso abierto para los usuarios y capaz de tomar medidas con una resolución espacial nanométrica y una resolución temporal de subpicosegundos", dijo la directora del CNM, Ilke Arslan. "La capacidad de realizar mediciones de este tipo en un periodo de tiempo tan breve abre la posibilidad de examinar una amplia gama de nuevos fenómenos en estados de no-equilibrio que hasta ahora no habíamos podido investigar. Estamos encantados de ofrecer esta capacidad a la comunidad internacional de usuarios".
Los conocimientos adquiridos en relación con el mecanismo de acoplamiento de este sistema de nanopartículas y grafeno deberían ser clave para el futuro desarrollo de nuevos e interesantes dispositivos plasmónicos.
Fuentes, créditos y referencias:
Haihua Liu et al, Visualization of Plasmonic Couplings Using Ultrafast Electron Microscopy, Nano Letters (2021). DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c01824