Nanomecánica con antenas ópticas - Boggiano, Hilario Daniel (2024)
Las nanopartículas plasmónicas han sido objeto de gran interés en las últimas décadas debido a sus interesantes propiedades ópticas. Estas estructuras son altamente eficientes para acoplar a campos electromagnéticos propagantes con frecuencias en el rango visible, los cuales producen oscilaciones colectivas de los electrones de conducción, conocidas como resonancias plasmónicas de superficie localizadas (LSPR, por sus siglas en inglés). Estas resonancias ópticas, que dan lugar a un fuerte confinamiento del campo en la superficie de la estructura, se producen en longitudes de ondas específicas que dependen tanto de la geometría de la nanoestructura, como de su composición y condiciones de contorno. Las nanopartículas plasmónicas actúan así como eficientes transductores de campos electromagnéticos propagantes en campos localizados, por ello reciben el nombre de nanoantenas ópticas. Por otra parte, las antenas dieléctricas, a diferencia de su contraparte metálica, son capaces de confinar eficientemente el campo electromagnético en volumen. Estas estructuras exhiben en general menos pérdidas debido a que sus resonancias ópticas se originan con la oscilación de los electrones de ligadura. En esta tesis nos enfocamos en estudiar un aspecto menos explorado de estos sistemas: su habilidad de actuar como transductores optomecánicos, es decir, de radiación electromagnética a energía mecánica y viceversa. La excitación óptica ultrarrápida y consecuente relajación electrónica conduce a la activación de los modos normales de oscilación de las estructuras, conocidos como fonones acústicos coherentes, con frecuencias típicas en el rango del hipersonido. Esto convierte a las antenas ópticas en verdaderos nanoresonadores mecánicos que, además, presentan una fuerte modulación de su respuesta óptica debido al mismo movimiento. La detección de estos desplazamientos mecánicos, típicamente subnanométricos e incluso subatómicos, se puede realizar con gran precisión empleando técnicas de óptica ultrarrápida, permitiendo así utilizar las antenas ópticas como eficientes sensores mecánicos de su entorno. En el Capítulo 1 de esta tesis se realiza una introducción a las propiedades optomecánicas de las nanoantenas plasmónicas y dieléctricas, y se describen los procesos involucrados en la excitación y detección de fonones acústicos coherentes, incluyendo una discusión de los mecanismos de acoplamiento plasmón-fonón que conducen a la modulación dinámica de la respuesta óptica de estos sistemas. En el Capítulo 2 se realiza una descripción detallada de los métodos experimentales y numéricos empleados en el estudio de la dinámica ultrarrápida de los fonones coherentes. Brevemente, la caracterización experimental de las nanoestructuras se llevó a cabo empleando técnicas de espectroscopia óptica ultrarrápida y los resultados fueron contrastados con simulaciones basadas en el método de elementos finitos. Por último, se describen suscintamente los métodos de fabricación de las plataformás plasmónicas y dieléctricas estudiadas. El Capítulo 3 se enfoca en la caracterización de la respuesta mecánica de las antenas ópticas. Se analiza la dependencia de los parámetros relevantes de estos osciladores, su frecuencia y factor de calidad, con la geometría, temperatura y demás condiciones de contorno. Además, se estudian los procesos de excitación y detección de fonones coherentes en nanoestructuras dieléctricas de fosfuro de galio. En esta tesis se presentan dos aplicaciones de las nanoantenas como resonadores mecánicos localizados en la nanoescala. En primer lugar, en el Capítulo 4 se introduce una técnica novedosa y totalmente óptica que permite tanto determinar el valor de los módulos mecánicos como estimar la temperatura de transición vítrea de láminas delgadas de polímeros con frecuencias de deformación en el rango de los GHz. La técnica utiliza plataformas plasmónicas como sensores localizados de elasticidad al acoplar films poliméricos delgados a una metasuperficie de nanoantenas de oro. Luego, se extiende este método para medir los módulos elásticos de películas delgadas de óxidos mesoporosos en función del grado de porosidad, y se lo contrasta con el método de nanoindentación. Otro aspecto novedoso e interesante de estos nanorresonadores mecánicos es que, acoplados a un sustrato, son capaces de generar un campo de ondas acústicas superficiales que se propagan distancias órdenes de magnitud mayores que los desplazamientos típicos de las mismas estructuras que las generan. Estas ondas de hipersonido pueden ser luego detectadas por una segunda nanoantena “receptora” cuyo movimiento produce una señal óptica detectable. De esta manera, estos nanosistemas mecánicos actúan como eficientes mediadores entre señales ópticas en la nanoescala. En el Capítulo 5 se estudia en primer lugar la generación y detección de estas ondas acústicas, y se proponen e implementan experimentalmente diseños novedosos que permiten controlar la direccionalidad de propagación e incluso enfocar estas ondas en una región de unos pocos cientos de nanómetros. Finalmente, en el último capítulo se discuten los avances obtenidos y las perspectivas en torno al desarollo de estructuras más eficientes y sus potenciales aplicaciones.