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).

_{Rainer Hillenbrand y Martin Schnell en el laboratorio de nanoGUNE en el que se ha llevado a cabo el experimento}

Los materiales hiperbólicos son sólidos muy especiales que se comportan como un metal en una dirección, dejando pasar la corriente, pero como un aislante en la dirección perpendicular. Hasta ahora, estos materiales han sido usados para fabricar nanoestructuras complejas que permiten la proyección de imágenes en longitudes de onda muy bajas, así como controlar la luz a escala nanométrica. Sin embargo, a fin de obtener todo el potencial de este nuevo tipo de materiales, es necesario estudiar y entender cómo se comporta la luz en su interior.

“La dificultad de los experimentos realizados consiste en la extremadamente corta longitud de onda de la luz cuando está dentro de un material hiperbólico”, explica el investigador Ikerbasque Rainer Hillenbrand, líder del grupo de Nanoóptica de nanoGUNE. “Cuando la luz está dentro de este tipo de material —en nuestro caso, el nitruro de boro—, viaja como algo que se conoce como un polariton, donde la luz se acopla a las vibraciones propias del material”

Estos polaritones se comportan como una espada de doble filo. Por un lado, comprimen la luz en volúmenes muy pequeños. Esto es útil para una amplia gama de aplicaciones que requieren la manipulación de la luz en espacios muy pequeños, como la detección y la identificación de moléculas individuales. Por otro lado, este enorme confinamiento requiere del desarrollo de técnicas especiales para observar su comportamiento.

Espacio y tiempo

Edward Yoxall, que llevó a cabo los experimentos en nanoGUNE junto con Martin Schnell, profundiza: “Debido a que la longitud de onda de un polariton es tan pequeña, no podemos utilizar los equipos de óptica “convencionales”, tales como las lentes y las cámaras, para obtener imágenes. Tenemos que utilizar un microscopio especial que es capaz de ver los detalles 1000 veces más pequeños que un microscopio de infrarrojos estándar”. Este microscopio visualiza “objetos” de tan sólo 10 nanómetros.

"“Pero no sólo es la resolución espacial la que hace que el seguimiento de polaritones sea un trabajo complicado” continúa Yoxall. “Si queremos observar cómo se mueve un polariton, tenemos que verlo en el espacio y en el tiempo. Esto se puede hacer mediante la emisión de destellos muy cortos de luz o pulsos, de una duración de tan solo 100 femtoseguntos (menos de una millonésima de una millonésima de segundo)”. Mediante el uso de estos destellos en combinación con un microscopio de campo cercano, los investigadores son capaces de observar los polaritones pasando por diferentes lugares a lo largo del nitruro de boro, lo que permite medir su velocidad.

Utilizando la información de espacio y tiempo que se recoge durante el experimento, los científicos dedujeron exactamente el recorrido del polariton y observaron algunos comportamientos intrigantes. "Hemos observado que la luz es más lenta en este material y que, además, puede viajar a 'contracorriente', es decir, que las ondas del polariton pueden viajar en dirección opuesta a su flujo de energía", subraya Hillenbrand.

“Sin duda uno de los resultados más interesantes es la velocidad a la que se mueve el polariton”, dice Yoxall. “Hay un gran interés en el estudio de la luz lenta, y lo que nosotros hemos mostrado en este trabajo es una nueva forma de conseguirla”. La luz lenta en estructuras fotónicas convencionales posee un gran potencial de aplicación en tecnologías de detección y comunicación, debido a la mejora de la interacción luz-materia. El enorme confinamiento de la luz al que se llega en estos materiales hiperbólicos podría ayudar a miniaturizar los dispositivos.

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.