Plasmónica

La plasmónica o nanoplasmónica ^{[ 1 ]} se refiere a la generación, detección y manipulación de señales en frecuencias ópticas a lo largo de interfaces metal-dieléctrico en la escala nanométrica. ^{[ 2 ]} Inspirada en la fotónica , la plasmónica sigue la tendencia de miniaturizar dispositivos ópticos (véase también nanofotónica ) y encuentra aplicaciones en detección, microscopía, comunicaciones ópticas y biofotónica. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

La plasmónica utiliza típicamente polaritones de plasmón de superficie (SPP) , ^{[ 2 ]} que son oscilaciones electrónicas coherentes que viajan junto con una onda electromagnética a lo largo de la interfaz entre un dieléctrico (p. ej., vidrio, aire) y un metal (p. ej., plata, oro). Los modos SPP están fuertemente confinados a su interfaz de soporte, lo que da lugar a fuertes interacciones luz-materia. En particular, el gas de electrones en el metal oscila con la onda electromagnética. Debido a que los electrones en movimiento se dispersan, las pérdidas óhmicas en las señales plasmónicas son generalmente grandes, lo que limita las distancias de transferencia de señal al rango subcentimétrico, ^{[ 5 ]} a menos que se utilicen redes híbridas de guía de luz optoplasmónicas, ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} o amplificación de ganancia plasmónica ^{[ 9 ]} . Además de los SPP, los modos de plasmón de superficie localizados soportados por nanopartículas metálicas se denominan modos plasmónicos. Ambos modos se caracterizan por grandes valores de momento, que permiten una fuerte mejora resonante de la densidad local de estados de fotones, ^{[ 10 ]} y pueden utilizarse para mejorar los efectos ópticos débiles de los dispositivos optoelectrónicos. ^{[ 4 ]}

Actualmente se está trabajando en la integración de la plasmónica con los circuitos eléctricos , o, en un análogo de circuito eléctrico, en la combinación de la eficiencia de tamaño de la electrónica con la capacidad de datos de los circuitos integrados fotónicos (PIC) . ^{[ 11 ]} Si bien las longitudes de puerta de los nodos CMOS utilizados para circuitos eléctricos son cada vez menores, el tamaño de los PIC convencionales está limitado por la difracción , lo que constituye una barrera para una mayor integración. La plasmónica podría salvar esta discrepancia de tamaño entre los componentes electrónicos y fotónicos. Al mismo tiempo, la fotónica y la plasmónica pueden complementarse, ya que, en las condiciones adecuadas, las señales ópticas pueden convertirse en SPP y viceversa.

Uno de los mayores problemas para hacer de los circuitos plasmónicos una realidad viable es la corta longitud de propagación de los plasmones de superficie. Normalmente, los plasmones de superficie viajan distancias de solo milímetros antes de que la amortiguación disminuya la señal. ^{[ 12 ]} Esto se debe en gran medida a las pérdidas óhmicas, que se vuelven cada vez más importantes a medida que el campo eléctrico penetra más profundamente en el metal. Los investigadores están intentando reducir las pérdidas en la propagación de plasmones de superficie examinando una variedad de materiales, geometrías, la frecuencia y sus propiedades respectivas. ^{[ 13 ]} Los nuevos materiales plasmónicos prometedores de baja pérdida incluyen óxidos y nitruros metálicos ^{[ 14 ]} así como el grafeno . ^{[ 15 ]} La clave para una mayor libertad de diseño son las técnicas de fabricación mejoradas que pueden contribuir aún más a la reducción de pérdidas mediante la reducción de la rugosidad de la superficie.

Otra barrera previsible que los circuitos plasmónicos tendrán que superar es el calor; el calor en un circuito plasmónico puede o no exceder el calor generado por circuitos electrónicos complejos. ^{[ 12 ]} Recientemente se ha propuesto reducir el calentamiento en redes plasmónicas diseñándolas para soportar vórtices ópticos atrapados, que circulan el flujo de potencia de la luz a través de los espacios entre partículas, reduciendo así la absorción y el calentamiento óhmico, ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} Además del calor, también es difícil cambiar la dirección de una señal plasmónica en un circuito sin reducir significativamente su amplitud y longitud de propagación. ^{[ 11 ]} Una solución ingeniosa al problema de doblar la dirección de propagación es el uso de espejos de Bragg para angular la señal en una dirección particular, o incluso para funcionar como divisores de la señal. ^{[ 19 ]} Finalmente, las aplicaciones emergentes de la plasmónica para la manipulación de la emisión térmica ^{[ 20 ]} y la grabación magnética asistida por calor ^{[ 21 ]} aprovechan las pérdidas óhmicas en metales para obtener dispositivos con nuevas funcionalidades mejoradas.

Los diseños óptimos de guías de onda plasmónicas buscan maximizar tanto el confinamiento como la longitud de propagación de los plasmones de superficie dentro de un circuito plasmónico. Los polaritones de plasmón de superficie se caracterizan por un vector de onda complejo , con componentes paralelas y perpendiculares a la interfaz metal-dieléctrico. La parte imaginaria del componente del vector de onda es inversamente proporcional a la longitud de propagación del SPP, mientras que su parte real define el confinamiento del SPP. ^{[ 22 ]} Las características de dispersión del SPP dependen de las constantes dieléctricas de los materiales que componen la guía de onda. La longitud de propagación y el confinamiento de la onda del polaritón de plasmón de superficie están inversamente relacionados. Por lo tanto, un mayor confinamiento del modo generalmente resulta en longitudes de propagación más cortas. La construcción de un circuito de plasmón de superficie práctico y utilizable depende en gran medida de un compromiso entre propagación y confinamiento. Maximizar tanto el confinamiento como la longitud de propagación ayuda a mitigar los inconvenientes de elegir la longitud de propagación sobre el confinamiento y viceversa. Se han creado varios tipos de guías de onda en la búsqueda de un circuito plasmónico con un fuerte confinamiento y una longitud de propagación suficiente. Algunos de los tipos más comunes incluyen aislante-metal-aislante (IMI), ^{[ 23 ]} metal-aislante-metal (MIM), ^{[ 24 ]} polaritón de plasmón de superficie con carga dieléctrica (DLSPP), ^{[ 25 ] [ 26 ]} polaritón de plasmón de brecha (GPP), ^{[ 27 ]} polaritón de plasmón de canal (CPP), ^{[ 28 ]} polaritón de plasmón de superficie en cuña (wedge), ^{[ 29 ]} y guías de onda y redes optoplasmónicas híbridas. ^{[ 30 ] [ 7 ]} Las pérdidas por disipación que acompañan a la propagación de SPP en metales pueden mitigarse mediante la amplificación de ganancia o combinándolos en redes híbridas con elementos fotónicos como fibras y guías de onda de resonador acoplado. ^{[ 30 ] [ 7 ]} Este diseño puede dar como resultado la guía de ondas plasmónica híbrida mencionada anteriormente, que exhibe un modo sublongitudinal en una escala de una décima parte del límite de difracción de la luz, junto con una longitud de propagación aceptable. ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]}

Los puertos de entrada y salida de un circuito plasmónico recibirán y enviarán señales ópticas, respectivamente. Para ello, es necesario acoplar y desacoplar la señal óptica al plasmón de superficie. ^{[ 35 ]} La relación de dispersión del plasmón de superficie se encuentra completamente por debajo de la relación de dispersión de la luz, lo que significa que, para que se produzca el acoplamiento, el acoplador de entrada debe proporcionar momento adicional para lograr la conservación del momento entre la luz incidente y las ondas de polaritones de plasmón de superficie lanzadas en el circuito plasmónico. ^{[ 11 ]} Existen varias soluciones para esto, incluyendo el uso de prismas dieléctricos, rejillas o elementos de dispersión localizados en la superficie del metal para ayudar a inducir el acoplamiento al igualar los momentos de la luz incidente y los plasmones de superficie. ^{[ 36 ]} Una vez que se ha creado un plasmón de superficie y se ha enviado a un destino, se puede convertir en una señal eléctrica. Esto se puede lograr utilizando un fotodetector en el plano del metal o desacoplando el plasmón de superficie en luz que se propaga libremente y que luego se puede convertir en una señal eléctrica. ^{[ 11 ]}

Alternativamente, la señal puede acoplarse a un modo de propagación de una fibra óptica o guía de ondas.

El progreso logrado en plasmones de superficie durante los últimos 50 años ha llevado al desarrollo de diversos tipos de dispositivos, tanto activos como pasivos. Algunas de las áreas más destacadas de dispositivos activos son la óptica, la termoóptica y la electroóptica. Los dispositivos totalmente ópticos han demostrado su capacidad para convertirse en una fuente viable para el procesamiento de información, la comunicación y el almacenamiento de datos cuando se utilizan como moduladores. En un caso, se demostró la interacción de dos haces de luz de diferentes longitudes de onda al convertirlos en plasmones de superficie copropagantes mediante puntos cuánticos de seleniuro de cadmio . ^{[ 37 ]} Los dispositivos electroópticos también han combinado aspectos de dispositivos ópticos y eléctricos en forma de moduladores. Específicamente, se han diseñado moduladores electroópticos utilizando rejillas metálicas resonantes acopladas evanescentemente y nanocables que se basan en plasmones de superficie de largo alcance (LRSP). ^{[ 38 ]} Asimismo, los dispositivos termoópticos, que contienen un material dieléctrico cuyo índice de refracción cambia con la variación de la temperatura, también se han utilizado como moduladores interferométricos de señales SPP, además de como conmutadores de acoplamiento direccional. Se ha demostrado que algunos dispositivos termoópticos utilizan la guía de ondas LRSP a lo largo de franjas de oro incrustadas en un polímero y calentadas por señales eléctricas como medio de modulación y conmutadores de acoplamiento direccional. ^{[ 39 ]} Otro campo potencial reside en el uso de spasers en áreas como la litografía a nanoescala, la sonda y la microscopía. ^{[ 40 ]}

Aunque los componentes activos desempeñan un papel importante en el uso de circuitos plasmónicos, los circuitos pasivos son igualmente esenciales y, sorprendentemente, no son fáciles de fabricar. Muchos elementos pasivos, como prismas , lentes y divisores de haz, pueden implementarse en un circuito plasmónico; sin embargo, la fabricación a nanoescala ha resultado difícil y tiene efectos adversos. Pueden producirse pérdidas significativas debido al desacoplamiento en situaciones donde se utiliza un elemento refractivo con un índice de refracción diferente. No obstante, se han tomado algunas medidas para minimizar las pérdidas y maximizar la compacidad de los componentes fotónicos. Una de estas medidas se basa en el uso de reflectores de Bragg , o espejos compuestos por una sucesión de planos para dirigir un haz de plasmón de superficie. Cuando se optimizan, los reflectores de Bragg pueden reflejar casi el 100 % de la potencia incidente. ^{[ 11 ]} Otro método utilizado para crear componentes fotónicos compactos se basa en guías de onda CPP, ya que han demostrado un fuerte confinamiento con pérdidas aceptables inferiores a 3  dB dentro de las longitudes de onda de telecomunicaciones. ^{[ 41 ]}

Maximizar las pérdidas y la compacidad en lo que respecta al uso de dispositivos pasivos, así como de dispositivos activos, crea un mayor potencial para el uso de circuitos plasmónicos.

• Nanofotónica
• metamateriales
• Plasmón de superficie simulado