Un equipo de investigadores israelíes y alemanes de Technion en Haifa y las universidades de Kaiserslautern, Duisburg-Essen y Stuttgart han podido revelar por primera vez la dinámica del momento angular orbital de los plasmones. Los investigadores utilizaron una combinación decristales individuales de oro de alta calidad, pulsos láser ultrarrápidos y un microscopio electrónico. Sus hallazgos se publicaron en Science en la edición del 17 de marzo de 2017.
Cuando un electrón orbita alrededor del núcleo en un átomo, los modelos simples describen su movimiento con spin y momento angular. Spin significa, en una imagen clásica, que el electrón gira alrededor como una pequeña esfera, y el momento angular describe el movimiento deel electrón alrededor del núcleo. Este modelo es muy similar a la Tierra que orbita alrededor del sol, girando alrededor de un eje que se extiende desde el Polo Norte hasta el Polo Sur que lleva un día, mientras que simultáneamente viaja alrededor del sol que lleva un año.
La luz puede tener propiedades similares: su "giro", que debería llamarse "helicidad", nos dice si un fotón tiene polarización circular hacia la derecha o hacia la izquierda. Pero, ¿qué corresponde al momento angular?denominado momento angular orbital, que describe un frente de onda que gira en espiral como una hélice, como una escalera en una torre.
Este momento angular orbital ha ganado mucha atención recientemente, ya que los investigadores esperan codificar información en él y, por lo tanto, mejorar la capacidad de los sistemas de comunicación de fibra óptica o usarlo para protocolos de información cuántica, que podrían ser útiles para una comunicación segura.
Sin embargo, el tamaño de estos haces no puede ser menor que una longitud de onda de luz, o aproximadamente medio micrómetro en el espectro visible, lo que limita la posibilidad de integrar dichos haces en dispositivos pequeños en el futuro.
Aquí es donde entran los plasmónicos en la imagen. Los plasmones son oscilaciones colectivas de electrones en metales que pueden ser excitados por la luz. Si una corriente de fotones incide, por ejemplo, en una superficie dorada, el campo eléctrico del campo de luz hace que la carga negativaLos electrones oscilan de un lado a otro, al igual que el agua en una botella cuando se agita. La ventaja de estas oscilaciones plasmónicas es que están unidas a la superficie del oro o a la interfaz entre el oro y su sustrato, y que pueden tenerlongitud de onda mucho más pequeña que la luz original. Por lo tanto, son ideales para dispositivos integrados con tamaños inferiores a 100 nm una décima parte de un micrómetro.
El equipo de investigación israelí / alemán cortó espirales de Arquímedes en el oro, lo que permitió que la luz excitara los plasmones que tenían un momento angular orbital. A Grisha Spektor de Technion en Haifa, la primera autora del artículo, se le ocurrió la idea de variargeometría de las espirales, creando así un impulso orbital angular que varió desde 1 hasta 10. Bettina Frank, del grupo de Harald Giessen en Stuttgart, fue capaz de producir muestras de oro de muy alta calidad que tenían propiedades de cristal único y eran atómicamente planas.las espirales en esos cristales. Martin Aeschlimann y Deirdre Kilbane en Kaiserslautern y Philip Kahl y Frank Meyer zu Heringdorf en Duisburg usaron láseres ultrarrápidos para emitir pulsos de luz tan cortos como 13 femtosegundos 10-15 segundos en los cristales, lo que creó ondas plasmónicas..
Observaron con un microscopio electrónico cómo los plasmones expulsaban electrones en la parte superior del metal y de esa manera podían obtener imágenes de las ondas plasmónicas. Al enviar dos pulsos láser ultracortos con un retraso en la muestra y luego variar el retraso, fue posiblepara grabar películas completas de las ondas plasmónicas. En este caso, el primer pulso creó el plasmón y el segundo pulso interactuó con el plasmón y los electrones liberados en la superficie, que luego fueron fotografiados.
Los investigadores quedaron atónitos al observar la formación de vórtices plasmónicos por ondas de plasmón en espiral hacia adentro, y ver cómo esos vórtices giraban en una escala de tiempo que era comparable con el tiempo que necesita la luz para completar una oscilación, una llamada ópticaciclo.
Cuanto más grande es el momento angular orbital, más tiempo tarda el vórtice en girar. Curiosamente, la observación de la dinámica del vórtice también se puede utilizar para distinguir la helicidad de la luz, lo que significa que se puede separar la circular izquierda-derechapolarización.
Los autores creen que su trabajo puede abrir la puerta a dispositivos integrados ultracompactos que utilizan el momento angular orbital de los plasmones para codificar la información. Además, podrían estudiarse los nuevos efectos de interacción de la materia de luz en una escala de sub longitud de onda profunda cuando dichos plasmones interactúancon materia sensible a momentos de luz orbital superiores, por ejemplo, en transiciones no dipolares.
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Materiales proporcionado por Universität Duisburg-Essen . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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