Desafortunadamente, las lentes y los espejos, por muy perfectos que se fabriquen, están limitados por la difracción, que hace que estos elementos ópticos clásicos sean inútiles en la nanoescala. Las alternativas lógicas son novedosos nanodiseños basados en nanopartículas, nanoagujeros, nanocables, nanoconchas, nanohuecos o incluso metamateriales «superlentes». Curiosamente, con los avances en la nanofabricación se viene comprobando cómo la variedad de sofisticados diseños de antenas desarrollados originalmente para bajas radiofrecuencias proporciona ahora pistas importantes sobre cómo optimizar los análogos de nanoantenas ópticas. Estas nanoantenas ópticas se benefician del hecho de que la luz se acopla al plasma de electrones libres que constituye la conductividad de un metal. De este modo, las nanoantenas sortean la limitación impuesta por la difracción y convierten la luz en energía localizada en la nanoescala. Conceptos probados, previamente usados en radioantenas, se vuelven a considerar ahora disminuyendo su escala un millón de veces hasta el dominio de la luz visible.
Hasta aquí podría parecer fácil. Sin embargo, la óptica de los metales tiene sus propias peculiaridades y atractivos. Entre las peculiaridades está que los metales no son conductores perfectos a las longitudes de onda visibles. En su lugar, un metal se hace algo transparente: la luz penetra en su superficie, donde las oscilaciones del plasma de electrones libres del metal recogen parte de la energía lumínica para formar un paquete de energía resonante conocido como «plasmón» [1, 2].
Para que las nanoantenas ópticas permanezcan perfectamente sintonizadas, por tanto, se necesita un «reescalado» a medida que depende del metal elegido, la forma de la antena, el color y la polarización de la luz, etc. Pero esas complicaciones se ven más que recompensadas por el hecho de que la oscilación resonante del plasma de electrones libres da lugar a campos locales fuertemente aumentados («puntos calientes») que, de nuevo, vienen determinados por el metal, su geometría y la frecuencia luminosa. Esencialmente, el carácter plasmónico es una gran ventaja, ya que permite una gran creatividad en el diseño y fabricación de antenas plasmónicas ópticas [3].
En los últimos años se han fabricado los primeros ejemplos de antenas ópticas monopolares, dipolares y otras más complejas, y se han usado para confinar campos de luz visible (longitudes de onda de 500-800 nm). De hecho, los puntos calientes se encuentran en la mayoría de las antenas, principalmente en los extremos y en huecos [4] con confinamiento en regiones de solo 20 nm [5]. La búsqueda del control activo de estos puntos calientes ya ha comenzado. Por ejemplo, ajustando la polarización de la luz incidente se puede modificar la posición de los puntos calientes. Otros métodos más avanzados se basan en el control adaptativo de pulsos del campo y fase de la antena, en analogía directa con el control coherente de la dinámica molecular, de modo que un nanopunto diminuto de luz se produzca en una posición predefinida. El campo óptico local proporciona un intenso gradiente de campo que puede bastar para atrapar partículas, proporcionando una nueva generación de nanopinzas, no limitadas por la difracción, para un atrapamiento eficiente de biopartículas [4].
Las cadenas de nanopartículas son, como las antenas de radio multielemento, unas estructuras particularmente flexibles en las que se puede aprovechar el acoplamiento y la interferencia de plasmones para optimizar el transporte y la localización de energía fotónica. Por analogía con la configuración de la antena dipolar tradicional (Yagi Uda, TV) una configuración de nanopartículas permite seleccionar o emitir señales en una dirección específica. La separación entre los elementos de una antena de este tipo se optimiza por interferencia constructiva para aumentar la sensibilidad direccional, y las oscilaciones de nanopartículas del plasma electrónico se pueden sintonizar y explotar de forma independiente, de modo que sean resonantes con las transiciones ópticas de moléculas y puntos cuánticos. Así, se puede esperar fabricar sensores direccionales ultrapequeños o emisores basados en cadenas de nanopartículas: fuentes de nanoluz con emisión direccional totalmente controlada.
Finalmente, por supuesto, la fuente luminosa definitiva es el láser. Muy recientemente se ha informado de los primeros prototipos de sistemas nanoplasmónicos que muestran acción láser desde un área fuente inferior a la longitud de onda: los primeros nanoláseres. Está claro que la nanofotónica se desarrolla rápidamente, dando lugar a nuevas sorpresas y aplicaciones en cualquier momento.
Niek F. van Hulst, doctor en física e investigador del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO)
(Traducción: Carlos Herranz Dorremochea/COFIS Comunicación)
Bibliografía
[1] W.L. Barnes, A.Dereux, T.W. Ebbesen. Surface Plasmon Subwavelength Optics. Nature 424, 824-830 (2003).
[2] F.J. García de Abajo. Light scattering by Particle and Hole Arrays. Rev. Mod. Phys. 79, 1267 (2007).
[3] P. Bharadwaj, B. Deutsch, L. Novotny. Optical Antennas. Advances in Optics and Photonics 1, 438-483 (2009).
[4] M. Righini, P. Ghenuche, S. Cherukulappurath, V. Myroshnychenko, F.J. García de Abajo, R. Quidant, Nano-optical Trapping of Rayleigh Particles with Resonant Optical Antennas. Nano Lett. 9, (2009).
[5] T.H. Taminiau, R. Moerland, F.B. Segerink, L. Kuipers, N.F. van Hulst, An Optical Monopole Antenna for Single Molecule Imaging. NanoLetters 7, 28-33 (2007).
