Conforme los tamaños de las nanopartículas que forman las nanoantenas y las distancias de interacción entre ellas comienzan a llegar a dimensiones subnanométricas, la teoría electromagnética clásica no es suficiente para describir la respuesta óptica. La luz interacciona con la materia de forma diferente a escala subnanométrica. Para describir las propiedades de nanoantenas ópticas a distancias inferiores al nanómetro se requiere acudir a la mecánica cuántica para poder tratar de manera apropiada las excitaciones que sufren los electrones en el metal como respuesta a la excitación de la luz. Sin embargo el número de electrones que pueden ser tratados en un marco mecánico-cuántico riguroso es limitado ya que el cálculo de las complejas energías de canje y correlación entre los electrones se complica enormemente cuando se trata un gran número de electrones.
Para poder describir satisfactoriamente el régimen cuántico de los billones de electrones de una nanoantena óptica ha habido que aunar las descripciones cuántica y clásica de la respuesta óptica mediante la introducción de un modelo de respuesta híbrido. Según este modelo, cuando se incide con luz sobre dos nanopartículas de oro cuya separación es menor de 0,35 nanómetros, la acumulación de la densidad de carga que da el color rojizo a la cavidad metálica comienza a verse reducida debido al salto de electrones por efecto túnel. Debido a este efecto cuántico, los electrones saltan de una nanopartícula a otra en cada ciclo óptico, a pesar de no estar éstas físicamente en contacto. En ese momento se produce un cambio de color de la cavidad hacia el azul, que supone la “huella cromática” que identifica la puesta en marcha del régimen cuántico en la nanoantena óptica.
El régimen “cuántico” predicho por los grupos teóricos de Nanofotónica en San Sebastián y Paris ha sido comprobado experimentalmente en el grupo de Nanofotónica de la Universidad de Cambridge, Reino Unido. El experimento, que presenta una gran complejidad, sitúa dos esferas metálicas con una separación mínima por debajo de un nanómetro que son iluminadas con luz blanca. Mediante la adquisición simultanea de la corriente eléctrica entre las dos nanopartículas y el espectro óptico de la cavidad, el equipo de Cambridge logra capturar por primera vez el cambio de la tendencia del espectro de la cavidad plamónica, modificando el color del rojo hacia el azul, justo unos pocos Ångstroms antes de llegar al contacto pleno entre las nanopartículas. En palabras del Prof. Jeremy Baumberg, líder del equipo experimental, es como darse un beso sin llegar a tocarse. Es un beso cuántico.
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| a. Interacciones plasmónicas dentro de los tres regímenes de acceso en el experimento. b. Cerca de las distribuciones de campo para los modos E B desde la teoría QCM en cada régimen. Las imágenes son de 40 nm 5 nm por región, la escala misma intensidad. c. El confinamiento lateral |
El hecho de que el “salto cuántico” de unos pocos electrones modifique la respuesta óptica dada por los billones de electrones oscilando en las dos nanopartículas, abre un nuevo régimen de interacción en nanoóptica. Este régimen dota de nuevas posibilidades para el desarrollo y sofisticación de dispositivos optoelectrónicos y podría ser una llave para el control de estados cuánticos en la nanoescala. Con ese resultado se abre la puerta de las interacciones cuánticas en nanoantenas ópticas, involucrando la respuesta de billones de electrones, y se produce un paso adelante en la integración de la Óptica Cuántica y la Nanofotónica, planteando un nuevo reto a las futuras tendencias en diversos campos de la nanotecnología.
Referencia: Revealing the Quantum Regime in Tunneling Plasmonics
