Investigadores de nanoGUNE, en colaboración con el ICFO y Graphenea, proponen una plataforma tecnológica basada en antenas metálicas que permiten atrapar y controlar la luz en grafeno, un material de un solo átomo de espesor. Los experimentos muestran que la luz guiada en el grafeno, extremadamente confinada al mismo, puede ser dirigida y curvada, siguiendo los principios fundamentales de la óptica convencional. Por tanto, el trabajo, publicado ayer en la prestigiosa revista científica Science, abre nuevas oportunidades para el desarrollo de dispositivos y circuitos fotónicos más pequeños y más rápidos.

Los circuitos y dispositivos ópticos podrían realizar el procesamiento de señales y la computación mucho más rápidamente. "Sin embargo, aunque la luz es muy rápida, necesita demasiado espacio", explica Rainer Hillenbrand, profesor Ikerbasque en nanoGUNE y la UPV/EHU. De hecho, la propagación de la luz necesita al menos el espacio de la mitad de su longitud de onda, que es mucho más grande que los componentes electrónicos básicos de última generación en nuestros ordenadores. Por esa razón, surge el desafío de comprimir la luz y controlar su propagación en la nanoescala a través de un material dado.

El asombroso grafeno, material de una sola capa de átomos de carbono con propiedades extraordinarias, puede ser la solución. La longitud de onda de la luz capturada por una capa de grafeno puede ser reducida considerablemente, en un factor de 10 a 100, en comparación con la luz que se propaga en el espacio libre. Como consecuencia, esta luz que se propaga a lo largo de la capa de grafeno —llamada plasmón del grafeno— requiere mucho menos espacio.

Sin embargo, la transformación de manera eficiente de la luz en plasmones del grafeno y su manipulación con un dispositivo compacto es todo un reto tecnológico. Un equipo de investigadores de nanoGUNE, ICFO y Graphenea —miembros del Grafene Flagship de la UE— demuestra ahora que el concepto de antena comúnmente utilizado para las ondas de radio podría ser una solución prometedora. El equipo muestra que una barra de metal de tamaño nanométrico colocada sobre el grafeno puede captar luz infrarroja (actúando como una antena para la luz) y transformarla en plasmones del grafeno, de forma análoga a una antena de radio que convierte las ondas de radio en ondas electromagnéticas en un cable metálico.

"Presentamos una plataforma tecnológica versátil, basada en antenas ópticas resonantes, para el lanzamiento y el control de la propagación de plasmones del grafeno, lo que representa un paso esencial para el desarrollo de circuitos plasmónicos con grafeno", comenta el líder del equipo, Rainer Hillenbrand. Pablo Alonso-González, quien llevó a cabo los experimentos en nanoGUNE, destaca algunas de las ventajas que ofrece el dispositivo de antena: "La excitación de los plasmones del grafeno es puramente óptica, el dispositivo es compacto y la fase y los frentes de onda de los plasmones se pueden controlar directamente mediante la adaptación de la geometría de las antenas. Esto es esencial para el desarrollo de aplicaciones ópticas basadas en el enfoque y guiado de luz".

Representación gráfica de la refracción de los plasmones del grafeno - puesta en marcha por una antena de oro minúsculo - al pasar por un prisma de un solo átomo de espesor (nanoGUNE).

El equipo de investigación también realizó estudios teóricos. Alexey Nikitin, Ikerbasque Fellow en nanoGUNE y autor de los cálculos, explica que "de acuerdo a la teoría, la operación de nuestro dispositivo es muy eficiente, y todas las futuras aplicaciones tecnológicas dependerán, esencialmente, de las limitaciones en la fabricación y la calidad del grafeno".

Basándose en los cálculos de Nikitin, el grupo de Nanodispositivos de nanoGUNE, liderado por los investigadores Ikerbasque Luis Hueso y Félix Casanova, fabricó nanoantenas de oro sobre grafeno proporcionado por Graphenea. Posteriormente, el grupo de Nanoóptica utilizó el microscopio de campo cercano NEASPEC para visualizar cómo los plasmones del grafeno se ponen en marcha y se propagan a lo largo de la capa de grafeno. En las imágenes, los investigadores vieron que, efectivamente, las ondas sobre el grafeno se propagan lejos de la antena, de la misma forma que se propagan las olas en una superficie de agua cuando se lanza una piedra a la misma.

Con el fin de probar si la propagación de luz a lo largo de una capa de carbono de un solo átomo de grosor sigue las leyes de la óptica convencional, los investigadores diseñaron distintos experimentos para enfocar y refractar la luz. Para el experimento de enfoque, curvaron la antena. Las imágenes resultantes mostraron que los plasmones del grafeno se concentran a una cierta distancia de la antena, como cuando un haz de luz se focaliza con una lente o espejo cóncavo. 

El grupo también observó que los plasmones del grafeno se refractan (cambian de dirección) cuando pasan a través de una doble capa de grafeno en forma de prisma, de forma análoga a como se flexiona un haz de luz al pasar a través de un prisma de cristal. "La principal diferencia es que el prisma de grafeno es de solo dos átomos de espesor. Es el prisma óptico refractor más delgado que se conoce", dice Rainer Hillenbrand. Curiosamente, los plasmones del grafeno cambian de dirección porque la conductividad es mayor en el prisma de dos átomos de espesor que en la capa de un solo átomo que lo rodea. En el futuro, tales cambios de conductividad en el grafeno podrían ser establecidos por medios electrónicos simples, lo que permitiría un control altamente eficiente de la refracción, entre otros, para aplicaciones de guiado de luz.

En definitiva, los experimentos muestran que los principios fundamentales y más importantes de la óptica convencional también se aplican a los plasmones del grafeno, es decir, a luz extremadamente comprimida que  se propaga a lo largo de una sola capa de átomos de carbono. Los futuros desarrollos basados en estos resultados podrían conducir a circuitos y dispositivos ópticos extremadamente miniaturizados que podrían ser útilizados en aplicaciones de detección y computación.

Publicación original

P. Alonso-González1, A.Y. Nikitin1,5, F. Golmar1,2, A. Centeno3, A. Pesquera3, S. Vélez1, J. Chen1, G. Navickaite4, F. Koppens4<, A. Zurutuza3, F. Casanova 1,5, L.E. Hueso 1,5 and R. Hillenbrand 1,5. “Controlling grapheme plasmons with resonant metal antennas and spatial conductivity patterns” Science (2014), DOI: 10.1126/science.1253202

• CIC nanoGUNE, 20018 Donostia-San Sebastián, Spain.
• I.N.T.I-CONICET and ECyT-UNSAM, San Martín, Bs. As., Argentina.
• Graphenea SA, 20018 Donostia-San Sebastián, Spain.
• ICFO-Institut de Ciéncies Fotoniques, Mediterranean Technology Park, 08860 Casteldefells, Barcelona, Spain.
• IKERBASQUE, Basque Foundation for Science, 48011 Bilbao, Spain.

Las ondas ópticas que se propagan desde una fuente puntual normalmente exhiben frentes de onda circulares. “Como las ondas en una superficie de agua cuando se arroja una piedra”, explica Peining Li, investigador postdoctoral en nanoGUNE y primer autor del artículo. La razón de esta propagación circular es que el medio a través del cual viaja la luz es típicamente homogéneo e isótropo, es decir, uniforme en todas las direcciones.

Los científicos ya habían predicho teóricamente que determinadas superficies estructuradas pueden poner la luz “patas arriba” cuando se propaga a lo largo de ellas. “En estas superficies, conocidas como 'metasuperficies hiperbólicas', las ondas emitidas por una fuente puntual viajan sólo en determinadas direcciones y además, con frentes de onda abiertos (cóncavos)”, explica Javier Alfaro, estudiante de doctorado en nanoGUNE y coautor del artículo. Debido a su propagación direccional y a que su longitud de onda es mucho más pequeña que la de la luz en el espacio libre o en fibras ópticas, estas ondas podrían ayudar a miniaturizar los dispositivos ópticos para la detección y el procesamiento de señales.

Ahora, los investigadores han desarrollado una metasuperficie para la luz infrarroja. Esta metasuperficie está hecha de nitruro de boro, un material bidimensional similar al grafeno, que posee una extraordinaria capacidad para manipular la luz infrarroja a escalas extremadamente pequeñas. Esta propiedad puede ser empleada para el desarrollo de sensores químicos miniaturizados o para el control de la transmisión de calor en nanodispositivos. Por otro lado, han logrado observar por primera vez frentes de onda cóncavos en el infrarrojo gracias a un microscopio óptico muy especial.

La fabricación de metasuperficies hiperbólicas es compleja ya que requiere de una estructuración extremadamente precisa de dimensiones nanométricas. Irene Dolado, estudiante de doctorado en nanoGUNE, y Saül Velez, ex investigador postdoctoral en nanoGUNE (ahora en ETH Zürich), han superado este reto utilizando técnicas avanzadas como la litografía por haz de electrones y el grabado en pequeñas láminas de nitruro de boro de alta calidad proporcionado por la Universidad Estatal de Kansas. “Después de varias optimizaciones, hemos logrado la precisión requerida y hemos obtenido una rejilla con un espaciado tan pequeño como 25 nm“, apunta Irene Dolado. “Los mismos métodos de fabricación también se pueden aplicar a otros materiales y podrían utilizarse para realizar metasuperficies artificiales con propiedades ópticas a medida”, añade Saül Vélez.

De la teoría a la realidad 

Para observar cómo se propagan las ondas en la metasuperficie, los investigadores han usado una técnica de nanoimagen infrarroja de vanguardia que ha sido desarrollada por el propio grupo de Nanoóptica de nanoGUNE. Primero colocaron una nanoantena de oro sobre la metasuperficie. “De este modo, la nanoantena genera ondas de la misma manera que lo hace una piedra cuando la tiramos al agua”, comenta Peining Li. La nanoantena concentra la luz infrarroja incidente en un pequeño foco que lanza las ondas que se propagan sobre la metasuperficie. Los investigadores tomaron las imágenes de las ondas utilizando un microscopio óptico de barrido de campo cercano (s-SNOM). “Fue increíble ver las imágenes. Mostraban la curvatura cóncava de los frentes de onda que se propagaban desde la nanoantena de oro, exactamente tal y como predice la teoría”, dice Rainer Hillenbrand, investigador Ikerbasque en nanoGUNE, quien ha dirigido la investigación.

Estos prometedores resultados abren la puerta a la utilización de otros exóticos materiales bidimensionales como plataforma para realizar nanocircuitos y metasuperficies hiperbólicas. Además, demuestran que la microscopía de campo cercano puede emplearse para revelar fenómenos ópticos en materiales anisótropos y en metasuperficies.

La investigación ha sido financiada principalmente por subvenciones individuales de las acciones Marie Sklodowsca-Curie de la Unión Europea y los programas de becas de investigación predoctoral del Gobierno Vasco y el Gobierno Español, así como de la Nacional Science Foundation americana, y se ha llevado a cabo en consonancia con los proyectos de nanoGUNE dentro de la iniciativa europea Graphene Flagship.

Light refraction accounts for the change of direction and speed that a wave undergoes when passing from one medium to another. Glasses and contact lenses, microscopes and telescopes, or something as commonplace as the fact that a pencil inserted into a glass of water appears bent when viewed from the outside, have their origin in the optical phenomenon of refraction.

Terahertz radiation has become an important diagnostic tool in the development of new technologies. However, the diffraction limit prevents terahertz radiation (λ ≈ 0.01–3 mm) from being focused to the nanometer length scale of modern devices. In response to this challenge, terahertz scanning probe microscopy techniques based on coupling terahertz radiation to subwavelength probes such as sharp tips have been developed.

Focusing of light into the nanoscale represents a landmark for the implementation of nanotechnology in optics and biochemistry. Based on the exotic propagation of light in highly anisotropic materials (where light propagates in the form of rays along specific directions), a research team led by the University of Oviedo has demonstrated the focusing of infrared light into extraordinarily small regions.

Polaritons are hybrid states of light and matter that arise from the coupling of light with matter excitations. Plasmon and phonon polaritons are among the most prominent examples, formed by the coupling of light to collective electron oscillations and crystal lattice vibrations, respectively. They play a crucial role in various applications, from sub-diffraction optical spectroscopy and ultrasensitive chemical sensors to ultracompact modulators for communication applications.

s-SNOM y nano-FTIR son herramientas únicas de imagen óptica y espectroscopia que permiten tanto la obtención de imágenes a nanoescala como la realización de espectroscopia en un amplio rango espectral, entre las frecuencias visibles y los terahercios. Rainer Hillenbrand fue uno de los investigadores que participaron en el desarrollo de estas técnicas y en su comercialización, lo cual abrió un campo completamente nuevo de investigación experimental de los fenómenos ópticos y las propiedades de los materiales a nanoescala.

Edoardo Vicentini, investigador en nanoGUNE, ha sido reconocido como ganador del premio Bernard J. Couillaud por su investigación en Tomografía de difracción óptica con peines de frecuencias de femtosegundos. 

Donostia-San Sebastian. 16 de Julio de 2014. El Premio Ludwig-Genzel 2014 ha sido otorgado al investigador Ikerbasque de nanoGUNE y la UPV/EHU Rainer Hillenbrand por “el diseño y desarrollo de la espectroscopia infrarroja de campo cercano y la aplicación de este nuevo método espectroscópico en diferentes áreas de las ciencias naturales”.

Rainer Hillenbrand recibió el premio de manos del catedrático Dressel, presidente del comité de selección, durante la conferencia LEES 2014, celebrada en el Valle del Loira (Francia), por sus desarrollos pioneros y líderes en el campo de la microscopía óptica de campo cercano. Hillenbrand realizó sus estudios en la Universidad de Augsburgo (Alemania) y desarrolló su tesis doctoral en el Instituto Max-Planck de Bioquímica de la también ciudad alemana de Martinsried. Durante su doctorado, Hillenbrand y sus compañeros desarrollaron un nuevo microscopio óptico de barrido de campo cercano para obtener imágenes ópticas con una resolución espacial nanométrica, una tecnología novedosa a la que denominaron “microscopía óptica de barrido de campo cercano (s-SNOM)”. El microscopio fue un gran avance en este campo y animó a numerosos grupos de todo el mundo a trabajar en esta dirección. Hillenbrand continuó trabajando en el mismo instituto alemán y formó su propio grupo de investigación. En 2007, gracias a nuevos desarrollos, fundaron la empresa Neaspec, la primera en ofrecer sistemas de s-SNOM comerciales.

En 2008, Hillenbrand se incorporó a nanoGUNE como responsable del grupo de Nanoóptica y profesor investigador Ikerbasque. Desde entonces, ha aplicado su técnica para realizar investigación de vanguardia en diferentes campos, tales como la física fundamental de estado sólido, la ciencia de materiales, las ciencias de la vida y la nanofotónica. Entre los avances más reciente está la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier a escala nanométrica (nano-FTIR), en la que la resolución espacial se ve incrementada por 100, comparada con la de la espectroscopia infrarroja convencional. Actualmente, Hillenbrand aplica las técnicas para la identificación química de los nanomateriales, el estudio de proteínas y el desarrollo de la nanofotónica basada en el grafeno.

Según el jurado del premio, la revolucionaria técnica de imagen de superficie permite realizar mediciones espectrales que van desde el régimen de lo visible al régimen de microondas con una resolución espacial sin precedentes. El trabajo de Hillenbrand “revela una combinación única de las habilidades de ingeniería y una visión profunda de los problemas científicos relacionados con diversos temas, abordando tanto cuestiones fundamentales como aplicaciones que, posteriormente, tienen su desarrollo en la industria”.

Premio Ludwig-Genzel

El Premio Ludwig-Genzel se otorga a un científico joven que haya realizado contribuciones excepcionales al campo de la espectroscopia de la materia condensada. La principal contribución de la obra de Ludwig Genzel es en el campo del rango espectral del infrarrojo lejano. El premio incluye un diploma y un premio de 4.000 euros. Bruker Óptica (Ettlingen) es el patrocinador del premio, que se concede cada dos años, durante la International Conference on Low Energy Electrodynamics in Solids (LEES). En esta ocasión, los miembros del comité de selección han sido los siguientes: Martin Dressel, presidente (Universidad de Stuttgart, Alemania); Leonardo Degiorgi (EHT Zürich, Suiza), Jan Petzelt (Academia de Ciencias, Praga, República Checa), Karl Renk (Universidad de Regensburg, Alemania) y Hartmut Roskos (Universidad de Frankfurt, Alemania).

Investigadores del centro de investigación CIC nanoGUNE, la Universidad de Berlín y la compañía Neaspec emplean la espectroscopia nano-FTIR para la identificación química y estructural de las proteínas con una resolución espacial nanométrica y con sensibilidad a los complejos de proteínas individuales de menos de un attogramo (10-18 gramos). El trabajo ha sido recientemente publicado en Nature Communications.Nature Communications, 2013, DOI:10.1038/ncomms3890).

Las proteínas son los ladrillos básicos de la vida. La química y la estructura de las proteínas son esenciales para su función biológica. De hecho, la estructura de las proteínas determina sus propiedades mecánicas y catalíticas, por ejemplo, en las enzimas. Tales funciones dan forma, literalmente, a todos los seres vivos. Además, la estructura de las proteínas también juega un papel importante en muchas enfermedades. Por ejemplo, la estructura secundaria de una proteína (si tiene una subestructura interna de hélice (alfa) o forma de hoja plegada (beta)) es de gran relevancia en el mecanismo patógeno que provoca el Alzheimer, Parkinson y otras enfermedades neurodegenerativas. Aunque se han desarrollado varios métodos para estudiar la química y la estructura de las proteínas, el reconocimiento y el mapeado de la estructura secundaria a escala nanométrica, o incluso la sensibilidad de una única proteína sigue siendo un reto importante. Una nueva técnica de espectroscopia infrarroja, llamada nano-FTIR, permite obtener con una gran sensibilidad la identificación química de la estructura secundaria de las proteínas a escala nanométrica.

Fotografía: Ilustración de la nanoespectroscopia infrarroja de una proteína. Una punta de metal (amarillo) se ilumina con una luz infrarroja. Debido a la función de antena de la punta, la luz se concentra en el ápice de la punta y crea un nanofoco que ilumna las proteínas. Copyright: CIC nanoGUNE

nano-FTIR es una técnica óptica que combina la microscopía óptica de barrido de campo cercano (s- SNOM) con la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR). Se trata de una herramienta que se usa habitualmente para estudiar la estructura secundaria de las proteínas que, sin embargo, no permite, por sí misma, realizar el mapeado de las proteínas a escala nanométrica. En la espectroscopia nano-FTIR, iluminando la punta afilada metalizada con un láser infrarrojo de banda ancha, y analizando la luz de retorno diseminada con un espectrómetro de transformada de Fourier especialmente diseñado, los investigadores han podido mostrar la espectroscopia local infrarroja de las proteínas con una resolución espacial inferior a 30 nm.

“La punta actúa como una antena para la luz infrarroja y la concentra en su vértice. El nanofoco en el vértice de la punta puede considerarse como una fuente de luz infrarroja ultrapequeña. Es tan pequeña que solamente ilumina una superficie de alrededor de 30x30 nm, que es la escala de los grandes complejos de proteínas”, dice el líder del proyecto Rainer Hillenbrand.

Con el fin de demostrar la versatilidad de la nano-FTIR en la espectroscopia de protéinas a escala nanométrica, los investigadores midieron los espectros infrarrojos de virus individuales, complejos de ferritina, membranas púrpuras y fibrillas de insulina. “Todos ellos presentan variaciones en la estructura secundaria —describe Iban Amenabar, quien realizó los experimentos de nanoespectroscopia—; los virus y la ferritina están hechos, principalmente, de estructura hélice-alfa, mientras que las fibrillas de insulina están hechas, principalmente, de estructuras de hoja-beta”. Simon Poly, el biólogo del equipo, explica que “en una mezcla de fibrillas de insulina y algunos virus la espectroscopia de FTIR estándar no reveló la presencia de los virus hélice-alfa. Al sondear las nanoestructuras de las proteínas una por una con la técnica de nano-FTIR pudimos identificar claramente el virus, es decir, las estructuras con forma alfahelicoidal entre las de hojas-beta”.

Un aspecto relevante de gran importancia práctica es que el espectro del nano-FTIR es totalmente compatible con el espectro convencional del FTIR, mientras que la resolución espacial se ve incrementada por un factor de 100 comparada con la de la espectroscopia infrarroja convencional. “Podríamos medir los espectros infrarrojos de las partículas de ferritina individuales. Son complejos de proteínas de solo 24 proteínas. La masa de un complejo de ferritina es muy pequeña, solamente 1 attogramo, pero podríamos claramente reconocer su estructura hélice-alfa”, explica Amenabar.

Los investigadores estudiaron también las fibrillas de insulina individuales, que son un sistema de referencia para las enfermedades neurodegenerativas. Se conoce que las fibrillas de insulina tienen un núcleo de estructura de hoja-beta, pero su estructura completa todavía no está totalmente clara. “Gracias al espectro nano-FTIR de las fibrillas individuales reconocimos no solamente la estructura de hoja-beta, sino también estructuras de hélice-alfa que pueden resultar interesantes para la asociación de fibrillas” añade Alexander Bittner, líder del Grupo de Autoensamblaje de nanoGUNE.

“Estamos entusiasmados con las nuevas posiblidades que ofrece la nano-FTIR. Con puntas más afiladas y la función de antena mejorada, esperamos obtener espectros infrarrojos de proteínas individuales en el futuro. Vemos múltiples aplicaciones tales como el estudio de cambios conformacionales en las estructuras amiloides a nivel molecular, el mapeado de las modificaciones de las proteínas en nanoescala en tejido biomédico o el mapeado label-free de proteínas de membrana. Esto podría conducirnos a un nuevo campo de la nanobioespectroscopia infrarroja”, concluye Rainer Hillenbrand, líder del Grupo de Nanoóptica de nanoGUNE.