Científicos de la Universidad Autónoma de Madrid han desvelado las condiciones que maximizan el acoplo entre una nanocavidad plasmónica y un excitón localizado en un punto cuántico o molécula. Este avance teórico supone un paso relevante hacia la realización de dispositivos nano-fotónico-cuánticos.
Dos sistemas físicos se encuentran fuertemente acoplados cuando su interacción mutua es más fuerte que la interacción de cada uno de ellos con el resto del universo, lo que los convierte en una única entidad física en su conjunto. Este concepto de acoplo fuerte es uno de los más potentes de la física moderna en general, y de la física de la materia condensada en particular.
Durante los últimos años, una gran actividad investigadora se ha dedicado a lograr el acoplo fuerte de un excitón y un campo plasmónico. Un excitón es el estado en el que se encuentra un emisor de luz cuántico (como pueden ser átomos, moléculas o puntos cuánticos) cuando uno de sus electrones absorbe un fotón y promociona a un nivel de energía desocupado.
Por su parte, un plasmón es un modo natural de oscilación de los electrones de conducción en la superficie de un metal. La naturaleza cargada y veloz de estos electrones metálicos confiere a los plasmones la capacidad extraordinaria de recoger y concentrar el campo electromagnético en la nano-escala.
Del acoplo fuerte de excitones y plasmones se espera que surja una nueva cuasi-partícula que combine las propiedades ópticas de sus constituyentes: por un lado, la extrema no linearidad óptica del excitón (sensible a un solo fotón incidente); y por otro, la fuerte interacción con el campo electromagnético de los plasmones.
Ahora, investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) presentan la descripción teórica del acoplo fuerte entre un único excitón y los plasmones localizados soportados por una nano-cavidad paradigmática: el gap nanométrico entre dos nanopartículas metálicas.
Este avance teórico supone un paso relevante hacia la realización de dispositivos nano-fotónico-cuánticos que combinen la fuerte interacción con la luz de los plasmones y la no-linearidad óptica de los excitones.
Óptica de transformación
La teoría, descrita en Physical Review Letters, está basada en el marco de la llamada óptica de transformación, que explota la invariancia espacial de las ecuaciones de Maxwell que gobiernan el campo electromagnético.
“Esta herramienta permite la descripción quasi-analítica de la interacción entre excitón y plasmón, ofreciendo una profunda visión sobre el fenómeno, imposible de obtener utilizando técnicas puramente numéricas”, afirman los autores.
“Durante el periodo de revisión del artículo, un trabajo experimental totalmente independiente que apareció en la revista Nature, demostraba por primera vez el acoplo fuerte de plasmones y excitones en un sistema muy similar al considerado en nuestra teoría”, concluyen.
El artículo lo firman Rui Qi-Li, Daniel Hernangómez Pérez, F. J. García Vidal y Antonio I. Fernández Domínguez, investigadores del Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada y del Condensed Matter Physics Center de la UAM.
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Referencia bibliográfica:
Rui-Qi Li, D. Hernangómez-Pérez, F. J. García-Vidal, A. I. Fernández-Domínguez. Transformation Optics Approach to Plasmon-Exciton Strong Coupling in Nanocavities. Physical review letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.107401
Imagen: Cálculo teórico de la distribución de carga superficial asociada a diferentes modos plasmónicos soportados por una cavidad formada por dos nanopartículas metálicas separadas por un gap de tamaño nanométrico. /UAM
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