p Durante séculos, artistas misturaram pó de prata e ouro com vidro para fabricar janelas coloridas para decorar edifícios. Os resultados foram impressionantes, mas eles não tinham uma razão científica para como esses ingredientes juntos formavam vitrais. No início do século 20, o físico Gustav Mie descobriu que a cor de uma nanopartícula de metal está relacionada ao seu tamanho e às propriedades ópticas do metal e dos materiais adjacentes. p Pesquisadores descobriram recentemente a peça que faltava neste quebra-cabeça. Os vidreiros medievais ficariam surpresos ao descobrir que estavam aproveitando o que os cientistas hoje chamam de plasmônica:um novo campo baseado em oscilações eletrônicas chamadas de plasmons.

p Concentração de luz

p Plasmonics demonstra como a luz pode ser guiada ao longo de superfícies de metal ou dentro de filmes de metal de espessura nanométrica. Funciona assim:em um nível atômico, os cristais de metal têm uma estrutura de rede muito organizada. A rede contém elétrons livres, não intimamente associado aos átomos de metal, que interagem com a luz que os atinge.

p Esses elétrons livres começam a oscilar coletivamente em relação à posição fixa dos núcleos carregados positivamente na rede metálica. Como a densidade das moléculas de ar em uma onda sonora, a densidade do elétron flutua na estrutura do metal como uma onda de plasmon.

p Luz visível, que tem um comprimento de onda de aproximadamente meio micrômetro, pode assim ser concentrado por um fator de quase 100 para viajar através de filmes de metal com apenas alguns nanômetros (nm) de espessura. Isso é 1, 000 vezes menor que um cabelo humano. O novo estado de onda de luz-elétron-luz mista permite intensas interações luz-matéria com propriedades ópticas sem precedentes.

p O que a plasmônica pode fazer?

p A plasmônica pode revolucionar a maneira como os computadores ou smartphones transferem dados em seus circuitos eletrônicos integrados. A transferência de dados em circuitos integrados eletrônicos atuais ocorre por meio do fluxo de elétrons em fios de metal. Em plasmonics, é devido ao movimento oscilatório sobre os núcleos positivos. A transferência de dados é, portanto, mais demorada na tecnologia antiga. Uma vez que a transferência de dados plasmônicos acontece com ondas semelhantes à luz e não com um fluxo de elétrons (corrente elétrica) como em fios de metal convencionais, a transmissão de dados seria super rápida (próxima à velocidade da luz) - semelhante às atuais tecnologias de fibra de vidro. Mas os filmes de metal plasmônico são 100 vezes mais finos do que as fibras de vidro. Isso pode levar a um processo mais rápido, tecnologias de informação mais finas e leves.

p Os plasmons de superfície também são excepcionalmente sensíveis a qualquer material próximo ao filme de metal. Uma baixa concentração de átomos, moléculas ou bactérias ligadas à superfície do metal podem alterar as propriedades de seus plasmons. Esse recurso pode ser usado para detecção biológica e química em concentrações extremamente baixas - por exemplo, para examinar a água poluída.

p Se projetado corretamente, multicamadas de nanoestruturas isolantes / metálicas plasmônicas formam metamateriais artificiais, onde a palavra grega "meta" significa "além". Ao contrário de qualquer outro material na natureza, esses metamateriais têm um índice de refração negativo. Essa é uma medida de quanto a luz muda de direção quando entra em um isolador transparente. Isoladores, incluindo vidro, têm um índice de refração positivo; eles dobram a luz que entra em um certo ângulo mais próximo da perpendicular à superfície do isolador.

p Em contraste, metamateriais multicamadas dobram a luz na direção "oposta". Essa propriedade fascinante pode ser usada para encobrir objetos, cobrindo-os com um envoltório de metamaterial. A folha orienta a luz suavemente em torno do objeto, em vez de refleti-la. Quase inacreditavelmente, o objeto encoberto se torna invisível.

p Outras aplicações incluem superlentes ópticas com resolução significativamente maior em comparação com microscópios ópticos normais. Eles podem permitir que os cientistas vejam objetos tão pequenos quanto cerca de 100 nm de tamanho. Isso é cerca de um décimo do tamanho de um germe típico.

p Existem algumas capas ópticas e superlentes de prova de princípio. Mas as perdas de alta resistividade nas camadas de metal, que convertem a energia da onda do elétron-luz em calor, atualmente limitam a viabilidade de muitas aplicações.

p Manufacturing plasmonic nanowires

p High resistivity losses are the major issue with plasmonics. Para superar essas limitações, we design and fabricate unique plasmonic metal/organic/semiconductor nanowire heterostructures. Our goal is to excite the semiconductor nanowires with an external light source, then use the internal radiation in the nanowires as an energy-pump source to compensate for metallic losses. Por aqui, the nanowires couple light energy in concert with the light-electron-oscillations to the metal film, thus restoring the amplitude of the damped plasmon wave.

p We use the organic molecular beam deposition (OMBD) method to coat the semiconductor nanowires with metal/organic multilayers. In the OMBD chamber, organic and metal materials reside in heatable cylindrical cells. We evaporate both organic molecules and metal atoms in heated cells at ultra-high vacuum (which is hundreds of billion times lower than atmosphere pressure). Then we direct the molecular and atom beams we have produced toward the semiconductor nanowire sample. The thickness of the resulting deposited film on the nanowire is controlled by mechanical shutters at the cell openings.

p The energy-transfer processes from the optically excited semiconductor nanowire to the plasmon oscillations in the surrounding metal film are studied with ultrafast spectroscopic techniques.

p Results from our studies will provide a new understanding of light-electron-waves in the novel and unique metal-semiconductor environment. Esperançosamente, we will open new prospects for designing low-loss or loss-free plasmonic devices. Ideally we want to enable new and important applications in information technologies, biological sensing and national defense. We further envision our investigations having a strong impact in other research fields:for instance, by utilizing the biocompatibility of our hybrid organic/metal structures, by enhancing the light emission in light-emitting diodes and laser structures or by improving light harvesting in photovoltaic devices. p Esta história foi publicada como cortesia de The Conversation (sob Creative Commons-Atribuição / Sem derivados).