Luz y materia en dispositivos a nanoescala

La interacción de la luz o fotones con la materia abre una perspectiva importante sobre el comportamiento tanto clásico como cuántico de los materiales y abre el camino al desarrollo de nuevos dispositivos. Este equipo, financiado por la UE, ha puesto en marcha el proyecto «Ultrafast phenomena in nanoparticle excitations» (UPNEX) con el propósito de investigar las oscilaciones colectivas (plasmones superficiales) de los electrones libres de un metal en la banda por debajo de los diez femtosegundos. Han estudiado la fotoemisión —la emisión de electrones desde una superficie provocada por la incidencia de fotones— ultrarrápida, resuelta espacialmente y espectralmente, a partir de muestras metálicas nanoestructuradas.

El primer paso ha consistido en construir un espectrómetro de tratamiento de imagen avanzado. Este instrumento se ha utilizado para analizar la generación de radiación a terahercios (THz) en forma de fotoelectrones proyectados desde nanopartículas plasmónicas. Los investigadores han publicado una serie de resultados de gran importancia que demuestran la correlación de la resonancia plasmónica de las muestras nanoestructuradas con la señal de THz que generan.

El esclarecimiento de sus mecanismos ha abierto la puerta a su empleo en el campo de las fuentes a THz por láser integradas en superficie. Cabe esperar que esas fuentes eliminen las limitaciones actuales debidas a los daños que se producen en las fuentes a THz basadas en cristales no lineales, y que aumenten su protagonismo en la experimentación dentro de la ciencia de los materiales y sus aplicaciones.

En el transcurso de otros trabajos experimentales el equipo científico ha construido una cámara de vacío en la que se ha investigado el acoplamiento de dos nanopuntas opuestas. Han logrado reducir la distancia de acoplamiento a entre cien y ciento cincuenta nanómetros. Este sistema se ha utilizado para demostrar un diodo de tubo de vacío a nanoescala consistente en dos nanopuntas metálicas como dispositivo electrónico ultrarrápido que emplea electrones pulsados emitidos mediante una fotoemisión de pocos ciclos. Una mayor disminución de la distancia de acoplamiento debe permitir el control óptico direccional de la corriente entre puntas, lo cual abriría el camino a conseguir conmutadores y dispositivos ultrarrápidos en tamaños nanométricos.

Dentro de una línea última de investigación se han estudiado las corrientes ópticamente inducidas en materiales dieléctricos, así como el desarrollo de fuentes de luz novedosas. En concreto, ahondando en un artículo recientemente publicado en la prestigiosa revista Nature, el equipo ha logrado dilucidar ciertos mecanismos de dependencia de las corrientes inducidas con relación a la banda prohibida. Cabe esperar que esos resultados se puedan aplicar a la electrónica todavía más rápida, al nivel de los petahercios (PHz, 10-18 Hz).

El proyecto UPNEX ha servido para promocionar la carrera de los investigadores asociados, ha reforzado su mutua colaboración y ha aumentado la capacidad de los dos laboratorios implicados. Ha dado lugar, a lo largo de su desarrollo, a hallazgos importantes en el campo de las interacciones a nanoescala de la materia ligera, aplicables a la optoelectrónica a nanoescala y a la nanoplasmónica.