Argi ibili kuantikarekin

CAF-Elhuyar 2024 saria (Egilearen doktore-tesian oinarritutako dibulgazio-artikulua)

Materialen Fisika Zentroko ikertzailea

Zabaldu:
Twitter
Facebook
Emaila

Imajina itzazu amonak logelako tiradorean gordetzen zituen urrezko eraztun, lepoko eta belarritakoak, urre-kolore distiratsu bereizgarri horrekin. Edonork esango luke imajinatzen dugun hori dela urrearen berezko kolorea, ezta? Bada, amonaren bitxi horiek txiki-txiki egin eta tamaina nanometrikora murriztuko bagenitu (ile baten lodiera baino mila aldiz txikiagoak eginez), ez lukete dagoeneko urre-kolore distiratsua igorriko, gorri edota berdea baizik! Are gehiago, bitxiaren formaren arabera, kolore bat edo beste igorriko lukete! [1] Baina, zerk eragiten du eraldaketa liluragarri hori? Kolore-aldaketa hori nanopartikula metalikoen propietate paregabe bati zor zaio: plasmoi-erresonantziari [2], metalezko nanopartikula bat argiztatzean gertatzen den elektroien oszilazioari, alegia (ikusi 1. irudia).

1. irudia. Argiak metalezko nanopartikulari eragitean kitzikatutako plasmoi-erresonantzia. Arg. Antton Babaze Aizpurua

Argia uhin elektromagnetikoa da, gamma izpiak edota irrati-uhinak bezalaxe. Argiaren adierazgarri nagusia maiztasuna da; segundo bakoitzean uhin elektromagnetikoak egiten dituen oszilazioen kopurua. Maiztasunak berebiziko garrantzia du munduaren pertzepzioan, berak finkatzen baitu kolore gisa ulertzen duguna. Argiztatutako gorputz orok uhin elektromagnetikoen zati bat xurgatzen du, bai eta beste zati bat islatu ere. Islatutako uhin horiek jasotzen ditu begiak, eta, erretinan ditugun zelula batzuen bitartez, seinale elektrikoak bidaltzen dira garunera. Burmuinak, ondoren, jasotako maiztasun bakoitza kolore bat bezala interpretatzen du. Jarrai dezagun, baina, plasmoi-erresonantziekin.

2. irudia. Likurgoren kopa: atzetik argiztatzen denean, kolore gorria erakusten du (ezkerraldean) eta, aurretik argiztatzen denean, kolore berdea (eskuinaldean). Arg. Johnbod/CC BY-SA 3.0

Argiak metalezko nanopartikula bati eragiten dionean, nanopartikula horretan dauden elektroiek argiaren maiztasunarekin oszilatzen dute, itsasoko olatuen antzera, eta kolore harrigarriak sorrarazteko xurgatzen eta barreiatzen dute argia. Elektroi horien oszilazioak dira plasmoiak. Fenomeno hori ez da, ordea, bitxikeria zientifikoa soilik; nanoteknologiaren hainbat arlotan inplikazio sakonak ditu. Hala ere, harrigarria dirudien arren, plasmoi-erresonantzien lehen zantzuak duela milurteko bat baino lehenagotik aurki daitezke. Adibide aipagarria IV. mendeko Likurgoren kopa da [3], beirazko kopa erromatar bat, berdea dirudiena aurretik argitzen denean eta gorria atzetik argitzen denean (ikusi 2. irudia). Kolorea aldatzeko trikimailu hori beiran txertatutako urrezko eta zilarrezko nanopartikulei zor zaie. Garai hartan, ziurrenik ustekabean txertatu zituzten nanopartikula metalikoak, baina orain aplikazio modernoetarako aprobetxatzen ari gara. Antzinateko erlikia bat nanoteknologiarekin jolasean. Nork esango luke!

Nanoantenak: argia espazio txikietan!

Plasmoi-erresonantzien alderdi liluragarri bat argia oso eremu txikietan harrapatzeko duten gaitasuna da; beraz, metalezko nanopartikulek nanoantena moduan jardun dezakete [4]. Pentsatu seinale elektromagnetikoak hartu eta hargailu batean kontzentratzen dituzten irrati-antenetan; plasmoiek antzeko zerbait egiten dute, baina argiarekin, eta tamaina nanometrikoetan konfinatzen dute. Konfinamendu horrek argia uhin-luzera baino askoz eskala txikiagoan manipulatzea ahalbidetzen du, eta hori funtsezkoa da optikan eta fotonikan hainbat aplikazio aurreraturentzat.

Baina nanoplasmonika ez da soilik kolore politak igortzea. Aplikazio zabal eta iraultzaileak ditu. Eguzki-zelulen eraginkortasuna hobetzetik sentsore oso sentikorrak sortzera edota datuen biltegiratzea hobetzera, plasmoi-erresonantziak aurrerapen teknologiko ugariren ardatz dira. Nanoplasmonikaren aplikazio itxaropentsuenetako bat minbiziaren tratamendua da [5]. Termoterapia plasmonikoak plasmoi-erresonantziak sortutako beroa baliatzen du. Urrezko nanopartikulak minbizi-zeluletara bidera daitezke, eta, argiaren eraginpean jartzen direnean, zelula kaltegarriak berotu eta suntsitu egiten dira, inguruko ehun osasuntsuari kalte egin gabe. Terapia-mota horrek metodo tradizionalekin alderatuta hain inbaditzailea ez den tratamendu eraginkorra eskaintzen du.

Are interesgarriagoak molekulen ondoan!

Plasmoien propietateak are interesgarriago bihurtzen dira gertu jarritako molekulekin elkarrekintza dutenean. Adibidez, espektroskopia molekularren hobekuntzan berebiziko garrantzia dute; izan ere, plasmoi-erresonantziek molekulek igortzen dituzten seinaleak anplifikatu ditzakete, eta horrela, zientzialariek banakako molekulak ere detekta ditzakete [6]. Gaitasun hori baliagarria da analisi kimikorako, adibidez.

Nire doktore-tesian [7], molekulen eta metalezko nanopartikulen arteko elkarrekintza ikertu dut, fisika klasikoaren legeak hautsi eta mundu kuantikoak kontrola hartzen duenean gertatzen diren fenomeno kuantiko zirraragarriak aztertuz.

Zubi elektronikoak

Lehen aurkikuntza harrigarria molekula bat bi nanopartikula metalikoren artean kokatzean ikusi nuen [8]. Horretarako, ez nuen laborategirik erabili, ordenagailu bidezko simulazio luze eta astunak baizik: luze, astun eta dibertigarriak, esango nuke. Molekula bi nanopartikulatatik oso gertu jarri nuen, nanometro-erdi batera gutxi gorabehera, eta argia bidali nion sistema osoari. Behatu nuen nanopartikula bateko elektroiek argiaren energia xurgatzen zutela eta, molekula zeharkatuz, beste nanopartikularaino salto egiten zutela (ikusi 3. irudia). Molekularen eta nanopartikulen artean ez zegoen kontaktu zuzenik, baina, hala ere, elektroiak nanopartikula batetik bestera mugi zitezkeen. Elektroiak leku batetik bestera kontaktu fisikorik gabe teletransportatuko balira bezala da!

3. irudia. Laser-izpiaz argiztatzean, elektroiak nanopartikula batetik bestera higitzen dira molekula zeharkatuz. Arg. Antton Babaze Aizpurua

Hemen, mekanika kuantikoaren magia sartzen da jokoan. Izan ere, elektroiak tunel-efektuaren bidez transferitzen dira. Elektroien tunel-efektua fenomeno kuantiko bat da, non elektroiek klasikoki zeharkatu ezin duten langa moduko bat zeharka dezaketen. Klasikoki zeharkatu ezin dutela esaten dugu, elektroiek ez baitaukate energia nahikorik hutsaren eta metalaren arteko potentzial-langa gainditzeko. Efektu horrek ez du parekorik ohituta gauden mundu makroskopikoan, eta konduktantzia-bide bat sor dezake eskala nanometrikoan, oso txikiak baina oso eraginkorrak diren gailu elektroniko berrientzako bidea erraztuz. Imajina ezazu “zubi ikusezin” moduko bat, magia kuantiko hutsa da!

Debekatutako argiaren igorpena

Beste aurkikuntza garrantzitsu bat hau izan zen: molekula bat metalezko nanopartikula batean ondoan jartzen denean, sistema osoak igortzen duen argiaren kolorea erabat alda daiteke. Lehenik eta behin, nanopartikula bakar-bakarrik argiztatu nuen, molekularik gabe. Berriz ere ordenagailu bidezko simulazioak erabilita, noski. Ikusi nuen nik bidaltzen nion argiaren kolorea igortzen zuela nanopartikulak; hau da, argi gorria erabilita, nanopartikulak kolore gorria igortzen zuen, eta, argi urdina erabilita, nanopartikulak kolore urdina igortzen zuen.

4. irudia. Laser gorriz argiztatzean, metalezko nanopartikularen eta molekularen arteko elkarrekintzaren ondorioz sistemak argi urdina igor dezake. Arg. Antton Babaze Aizpurua

Nanopartikularen ondoan molekula bat jartzen nuenean, ordea, gauza oso interesgarria gertatzen zen. Nik argi gorria bidaltzean, sistemak argi urdina igor zezakeen. Fenomeno hori beste efektu kuantiko baten ondorio da, non sistemak aldi berean kolore gorriko (maiztasun baxuko) bi fotoi xurgatzen dituen eta, ondoren, kolore urdineko (maiztasun altuagoko) fotoi bakar bat igortzen duen. Zenbat gauza egin dezaketen elkarrekin nanopartikulek eta molekulek, ezta!

Nanoplasmonikaren eragina nabarmena eta garrantzitsua da gaur egun. Nork pentsatuko zuen hain gauza ñimiñoak horren eragin esanguratsua izan zezakeenik? Metalezko pieza soil bat ikusten duzun hurrengo aldian, gogoratu: haren gainazalaren azpian kolore eta aukera amaigabeko mundu bat dago. Nire doktore-tesian iragarritako aurkikuntzek bat egiten dute etengabeko bilakaeran dagoen puzzle liluragarri horrekin, baina, lagunduko ote dute gailu elektroniko nanometrikoen aurrerapenean? Denborak bakarrik esango du.

Bibliografia

[1] N. J. Halas, S. Lal, W.S Chang, S. Link, eta P. Nordlander (2011). “Plasmons in strongly coupled metallic nanostructures”. Chemical reviews, 111(6), 3913-3961.

[2] L. Novotny, eta B. Hecht (2012). Principles of nano-optics. Cambridge University Press.

[3] I. Freestone, N. Meeks, M. Sax, eta C. Higgitt (2007). “The Lycurgus cup—a roman nanotechnology”. Gold bulletin, 40, 270-277.

[4] L. Novotny, eta N. Van Hulst (2011). “Antennas for light”. Nature photonics, 5(2), 83-90.

[5] R. Bardhan, S. Lal, A. Joshi, eta N. J. Halas (2011). “Theranostic nanoshells: from probe design to imaging and treatment of cancer”. Accounts of chemical research, 44(10), 936-946.

[6] F. Benz, M. K. Schmidt, A. Dreismann, R. Chikkaraddy, Y. Zhang, A. Demetriadou, ... eta J. J. Baumberg (2016). “Single-molecule optomechanics in ‘picocavities’”. Science, 354(6313), 726729.

[7] A. Babaze (2022). “Quantum Many-Body Effects in the Optoelectronic Response of Plasmonic Nanostructures and their Coupling to Quantum Emitters”. Doktore-tesia. Euskal Herriko Unibertsitatea.

[8] A. Babaze, R. Esteban, A. G. Borisov, eta J. Aizpurua (2021). “Electronic exciton–plasmon coupling in a nanocavity beyond the electromagnetic interaction picture”. Nano Letters, 21(19), 8466-8473.

[9] A. Babaze, R. Esteban, J. Aizpurua, eta A. G. Borisov (2020). “Second-harmonic generation from a quantum emitter coupled to a metallic nanoantenna”. ACS photonics, 7(3), 701-713.